Cap 11.doc

TERMOTEHNICĂ

1

CAP.1. COMBUSTIBILII. ARDEREA COMBUSTIBILILOR 1.1. Generalităţi; caracteristicile combustibililor Ponderea diverselor surse de energie pe plan mondial este: - Petrol: 30% - Cărbune şi derivaţi: 30% - Gaze naturale: 13% - Energie nucleară: 12% - Energie hidraulică: 5% - Energie solară: 5% (SUA 12%) - Bioenergie+alte surse: 5%. Căldura din procesele termice se obţine, în general, prin arderea combustibililor. Prin ardere se înţelege un proces de oxidare rapidă exotermică a substanţelor combustibile. Prin combustibil se înţelege substanţa combustibilă care este destinată arderii pentru a se obţine căldură utilizabilă. Prin comburant se înţelege substanţa care furnizează oxigenul necesar arderii combustibilului. În procesul de ardere substanţele combustibile reacţionează exotermic cu oxigenul formând oxizi. Pentru ca o substanţă combustibilă să poată fi utilizată drept combustibil trebuie sa îndeplinească condiţiile: - Compuşii săi de ardere nu trebuie să atace pereţii camerei de ardere; - Să poată fi aprins cu uşurinţă, dar să nu prezinte pericol la manipulare prin autoaprindere necontrolată sau explozii; - Să se găsească în cantitate suficientă; - Prin ardere să elibereze o cantitate cât mai mare de căldură la o temperatură cât mai înaltă; - Reziduurile solide ale arderii (cenuşa) să nu înfunde rapid orificiile de intrare a comburantului; - Să aibă preţ de cost scăzut; - Să nu aibă utilizări mult mai economice ca materie primă utilizată în alte ramuri industriale; această condiţie este foarte greu de îndeplinit în economia modernă, deoarece din combustibilii actuali se pot obţine produse mai valoroase prin prelucrare fizico-chimică.

2

TERMOTEHNICĂ

Condiţiile de mai sus sunt îndeplinite de substanţele organice în compoziţia cărora intră: carbon, hidrogen şi sulf( C, H2, S). Pe lângă aceste elemente combustibile în compoziţia combustibililor naturali şi artificiali intră şi substanţe necombustibile, denumite balast, care absoarb căldură de la produsele formate prin ardere şi provoacă astfel scăderea temperaturii de ardere. O parte din balastul combustibilului se prezintă sub stare gazoasă (O2, N2, umiditate), care se amestecă cu oxizii gazoşi, formând gazele de ardere sau gazele arse, iar o parte din balast rămâne în stare solidă (cenuşa) care se depune în camera de ardere.Pentru scrierea ecuaţiilor de ardere este necesară cunoaşterea compoziţiei combustibilului, care se poate determina prin analiză de laborator.Compoziţia combustibilului solid sau lichid este indicată de obicei prin participaţia masică a componenţilor exprimată în: kg  component  kg  comb  Participaţiile componenţilor pentru combustibili gazoşi sunt exprimate în :  Nm 3  sau kmoli 3  kmol  comb Nm comb Notând participaţiile masice prin simbolurile chimice ale componenţilor, compoziţia unui combustibil solid sau lichid se exprimă sub forma:



c  s  h  o  n  u  a  1kg c%  s%  h %  o%  n %  u %  a %  100kg



sau : Denumirea de analiză elementară este convenţională, deoarece umiditatea u şi cenuşa a nu sunt elemente chimice. Analiza elementară a combustibililor solizi şi lichizi este o operaţie foarte laborioasă şi necesită aparatură specializată. Analiza imediată este o analiză simplificată şi în prima operaţie se elimină umiditatea. Această umiditate poate fi considerată ca umiditate liberă sau umiditate de constituţie (legată de constituţia moleculei de combustibil). Umiditatea liberă (externă) poate fi înlăturată prin uscarea combustibilului în aer la temperatură obişnuită atmosferică sau prin încălzire în spaţiu închis la t  102 0  1050 C . Dacă se analizează 1kg de combustibil solid, după înlăturarea umidităţii U rămâne substanţa uscată, notată convenţional cu R: R  1 - U (kg) Încălzind substanţa uscată în spaţiu închis şi în lipsa oxigenului până la temperaturi de 870o900oC, vor distila substanţele volatile, notate convenţional cu V, formate din hidrocarburi şi compuşi ai sulfului; ceea ce

TERMOTEHNICĂ

3

rămâne după distilarea substanţelor volatie este cocsul, un amestec de carbon şi cenuşă. Operaţia de cocsificare este reprezentată prin relaţia: R-V=(C+A) (kg) unde: C(kg) – cantitatea de carbon fix; A(kg) – cantitatea de cenuşă. Prin arderea în aer a cocsului obţinut arde carbonul din cocs (carbonul fix) şi rămâne cenuşa în spaţiul de probă, cenuşa fiind formată din compuşi minerali: (C+A)-C=A (kg) Prin analiza imediată se obţin participaţiile masice pentru: umiditatea (u), Substanţe volatile (v), Carbonul fix (c), Cenuşă (a). Pentru a determina compoziţia elementară a combustibilului trebuie analizate şi substanţele volatile V în componenţa cărora intră: restul de carbon, hidrogenul, sulful, oxigenul şi azotul. Carbonul total al combustibilului este format din carbonul fix şi din carbonul conţinut în substanţele volatile. Hidrogenul se poate găsi în substanţe volatile cât şi în apa de cristalizare (dacă există). Oxigenul poate fi în apa de cristalizare şi în compuşii oxizi ai carbonului (CO2, CO). Sulful se găseşte în hidrogenul sulfurat (H 2S). Conţinutul de sulf în combustibil este dăunător, deoarece poate conduce la formarea acidului sulfuric care atacă elementele metalice ale camerelor de ardere. Combustibilii pot fi: solizi (huilă, lignit, antracit), Lichizi (petrol si derivatele sale), Gazoşi (naturali sau artificiali). Gazul combustibil cel mai utilizat este gazul metan, în care metanul are cea mai mare participaţie. La gazele artificiale compoziţia poate fi formată din: metan (CH4), etilenă (C2H4), hidrogen (H2), oxid de carbon (CO), precum şi din componenţii necombustibili (balast) cum sunt: CO 2, N2, O2, vapori de apă. 1.2. Puteri calorice şi măsurarea lor Prin putere calorică a unui combustibil se înţelege căldura eliberată prin arderea completă a unitaţii de cantitate de combustibil. Pentru puterea calorică se foloseşte notaţia H şi unităţile de măsură: kJ

- kg – pentru combustibili solizi şi lichizi; kJ – pentru combustibili gazoşi; Nm 3

TERMOTEHNICĂ

4

-

kJ - pentru orice tip de combustibil, dacă se cunoaşte masa molară kmol

(M). În timpul arderii componenţii care ard degajă căldură, în timp ce balastul absoarbe căldură şi scade temperatura la care are loc arderea. Scriind ecuaţiile de ardere pentru 1 kmol de C, S, H2, se obţine:  M  12 kg  ; M S  32 kg ; M H 2  2 kg C kmol kmol kmol   C  O2  CO2  H C 406300 H C  406300 kJ   33860 kJ kmol  C kg  C 12 296200 S  O 2  SO 2  H S ; H S  296200 kJ   9256 kJ kmol  S kg  S 32

1 286500 H 2  O 2  H 2 O  H H 2 ; H H 2  286500 kJ   143250 kJ kmol kg  H 2 2 2 Se observă că H H 2 este de peste 4 ori mai mare decât H C . Prin arderea completă a c kg de C, h kg de H 2 şi a s kg de S se obţin

căldurile:

Q c  c  H C (kJ)  Q h  h  H H2  kJ   Qs  s  HS  kJ

Pentru un combustibil format din elementele combustibile H 2 , C, S, puterea calorică nu se poate calcula cu relaţia H   H i , deoarece componenţii nu formează un amestec, ci sunt prezenţi sub formă de combinaţii chimice. Pentru măsurarea puterilor calorice se folosesc masurători de laborator; datele obţinute se vor înlocui în relaţii empirice deduse tot experimental. Procedeul este următorul: în aparatul de măsură este arsă o cantitate bine determinată de combustibil, căldura gazelor arse fiind preluată de un fluid de răcire (apa). Se măsoară creşterea de temperatură pentru fluidul de răcire. Scriind o ecuaţie de bilanţ termic rezultă puterea calorică.

TERMOTEHNICĂ

5

Dacă gazele arse sunt răcite, vaporii de apă rezultaţi prin arderea hidrogenului se depun sub formă de condens, căldura de condensare fiind: Q cond  g  r  kJ 

unde:

  r – căldura de condensare  r  2508 kJ kg  .    kg  g  kg  comb  – cantitatea de condensat.   Se deosebesc două puteri calorice: H S – puterea calorică superioară; H i – puterea calorică inferioară. H i  H S  Q cond  H S  g  r

În gazele arse se deosebesc doi componenţi: gaze uscate şi gaze umede (vapori de apă). Atât timp cât pe parcursul răcirii gazelor arse nu se atinge temperatura punctului de rouă  t r  , apa rămâne în stare de vapori. Prin putere calorică superioară  H s  se înţelege cantitatea totală de căldură degajată prin arderea completă a unităţii de cantitate de combustibil; se măsoară prin răcirea gazelor arse până la temperatura de 0 0 C sau până la temperatura atmosferică ambiantă. Prin putere calorică inferioară  H i  se înţelege căldura degajată prin arederea unitaţii de cantitate de combustibil, fără a se lua în considerare căldura de condensare a umidităţii din gazele de ardere; se măsoară prin răcirea gazelor arse până la temepartura punctului de rouă  t r  , dar fără apariţia condensatului. Pentru calculul puterii calorice inferioae  H i  se folosesc relaţii empirice deduse experimental; aceste relaţii implică cunoaşterea compoziţiei elementare a combustibilului. De exemplu, pentru combustibili lichizi rezultaţi prin distilarea petrolului, se poate folosi ecuaţia empirică Dulong – Petit: o  H i  33860  c  117000 h    10450  s  2508  u kJ  .  kg  8 

6

TERMOTEHNICĂ

kg  comp  unde: c, h , o, s, u  kg  comb  sunt participaţiile masice pentru C,  H 2 , O 2 , S, H 2 O . În cazul combustibililor gazoşi, formaţi dintr-un amestec de gaze combustibile, puterile calorice se determină cu relaţiile:

H i  1  H i1  2  H i2  ...    j  H ij  HS    j  H sj j

 Nm 3  comp

- participaţiile componenţilor din amestec 

  , iar Nm  comb  3

   j  1 . Balastul gazos (CO2, N2, O2) nu participă la calculul puterilor

calorice de mai sus. Puterile calorice ale combustibililor solizi şi lichizi grei se determină în laborator cu ajutorul bombei calorimetrice, iar ale combustibililor gazoşi şi lichizi volatili cu calorimetrul JUNKERS. Ambele metode de măsurare presupun cântărirea sau contorizarea cantităţii de combustibil arse, gazele de ardere ale combustibilului provocând creşterea temperaturii unui fluid de răcire. Scriind ecuaţia de bilanţ caloric rezultă puterea calorică superioară. 1.3. Ecuaţiile stoichiometrice de ardere în oxigen pentru componenţii combustibili Cantitatea de oxigen necesară oxidării complete a combustibilului se numeşte oxigen teoretic, oxigen minim sau oxigen stoichiometric. Dacă în camera de ardere s-ar introduce mai mult oxigen decât oxigenul stoichimetric, atunci oxigenul excedentar nu găseşte substanţă cu care să intre intre în reacţie şi se elimină în atmosferă odată cu oxizii formaţi, aşadar gazul de ardere are un caracter oxidant. Dacă s-ar introduce oxigen mai puţin decât oxigenul stoichiometric, atunci nu toată cantitatea de combustibil arde şi ce nu arde se elimină în atmosferă odată cu oxizii formaţi. În cazul arderii în exces de oxigen, surplusul de oxigen absoarbe căldură de la oxidul format, iar în cazul arderii incomplete nu se eliberează întreaga cantitate de căldură de la combustibil. Ecuaţia chimică de ardere în cantitate strict necesară de oxigen este denumită ecuaţia stoichiometrică de ardere în oxigen.

TERMOTEHNICĂ

7

Cu ajutorul acestor ecuaţii se pot determina ecuaţiile de ardere în condiţiile date, aflându-se oxigenul stoichiometric şi oxizii formaţi. Arderea carbonului Reacţia de ardere pentru o moleculă de carbon este: C+O2  CO2 Pentru 1 kmol de carbon reacţia se scrie (1kmol are NA molecule): 1kmolC  1kmolO 2 ! kmolCO 2

Ştiind că: 1 kmol O2 = 32 kg şi 1kmol CO2 = 44 kg, reacţia se scrie în kg: 12kgC  32kgO 2  44kgCO 2

iar pentru 1 kgC:

1kgC  2,667 kgO 2  3,667kgCO 2 .

Obs. Numai ecuaţia scrisă în kg este o ecuaţie propriu-zisă( în care s-a pus semnul =); în celelalte expresii nu se pune semnul egal, deoarece o molecula de carbon care reacţionează cu o moleculă de oxigen duce la formarea unei singure molecule de bioxid de carbon (proces contractiv). Dacă se arde o cantitate c de kg C, ecuaţia se scrie: ckgC  2,667  ckgO 2  3,667  ckgCO 2

Oxigenul teoretic (stoichiometric) va fi:

O 2t 

1kmolO 2

1kmolC

 2,667Kg

O2

kgC

 1,868

Nm 3 O 2

kg  C

Cantitatea de CO2 va fi: 3

 CO 2   1kmolCO 2 1kmolC  3,667 kgCO 2 kgC  1,868 Nm CO 2 kgC Transformările de unităţi se fac ţinând cont de faptul că la 1 kmol corespund:

M kg   3 VM  22,4Nm

Arderea sulfului Pentru o moleculă de sulf:

S  O2  SO2

TERMOTEHNICĂ

8

Reacţia de ardere a unui kmol de sulf:

1kmolS  1kmolO 2  1kmolSO 2 32kgS  32kgO 2  64kgSO 2 1kgS  1kgO 2  2kgSO 2

Dacă se exprimă gazele în Nm3 se obţine: 32kgS  22,41Nm 3 O 2  22,41Nm 3SO 2 : 32 1kgS  0,7 Nm 3 O 2  0,7 Nm 3SO 2

Pentru arderea a s kg de sulf se scrie:

skgS  skgO 2  2  skgSO 2

Oxigenul teoretic este:

O 2 t  1kmolO 2

1kmolS

 1kgO 2

1kgS

3  0,7 Nm O 2

kgS

Cantitatea de bioxid de sulf: 3

 SO 2   1kmolSO2 kmolS  2kgSO 2 kgS  0,7 Nm SO 2 kgS . Arderea hidrogenului Hidrogenul poate intra atât în compoziţia combustibililor solizi şi lichizi, sub formă de combinaţii,cât şi în compoziţia amestecurilor gazoase. Reacţiile de ardere stoichiometrică în oxigen vor fi: Pentru o moleculă: 1 O 2  H 2 O xN A molecule 2 1kmolH 2  0,5kmoliO 2  1kmolH 2 O H2 

2kgH 2  16kgO 2  18kgH 2 O 1kgH 2  8kgO 2  9kgH 2 O

Pentru cazul în care participaţia h a hidrogenului este exprimată în kgH 2 2kgH 2  11,207 Nm 3 O 2  22,414 Nm 3 H 2 O : 2 kg  comb : 1kgH 2  5,604 Nm 3 O 2  11,207 Nm 3 H 2 O Pentru hidrogen drept un component gazos se scrie: 22,414 Nm 3 H 2  11,207 Nm 3 O 2  22,414 Nm 3 H 2 O 1Nm 3 H 2  0,5 Nm 3 O 2  1Nm 3 H 2 O

TERMOTEHNICĂ

9

Se observă că ecuaţiile scrise în Nm3 şi kmoli au aceeaşi coeficienţi. Pentru h kg de hidrogen ecuaţia de ardere este: h  kgH 2  8h.kgO 2  9h.kgH 2 O

Oxigenul teoretic:

O 2 t  0,5 kmoliO2

kmolH2

 8 kgO 2

kgH 2

3  5,604 Nm

kg  H 2 O

3 Nm O2  0,5

Nm 3 H 2

Iar oxidul format (vaporii de apă) este:

 H 2 O  1kmolH 2 O kmolH

 9 kgH 2 2

kgH 2

3  11,207 Nm H 2 O

kgH 2

3  1 Nm H 2 O

În rezumat, dacă într-un combustibil solid sau lichid participaţiile   elementelor combustibile vor fi:c, s, h  kJ kg  , atunci oxigenul teoretic   total va fi:  O 2 t  2,667  c  1  s  8  h kgO 2  kg  comb .   iar cantitatea de oxizii formaţi va fi: m  3,667  c  kgCO 2  2  s.kgSO 2  9  h.kgH 2 O

Arderea oxidului de carbon (CO) Ecuaţiile de ardere vor fi: CO  0,5O 2  CO 2

1kmolCO  0,5kmoliO 2  1kmolCO 2 28kgCO  16kgO 2  44kgCO 2 1kgCO  0,571kgO 2  1,571kgCO 2 22,414 Nm 3CO  11,207 Nm3O 2  22,414 Nm3CO 2 1Nm 3CO  0,5 Nm3O 2  1Nm 3CO 2

Oxigenul teoretic:

O 2 t  0,5 kmoliO2

kmoliCO

3  0,5 Nm O 2

Nm 3 CO

 0,571 kgO 2

kgCO

Iar oxidul format: 3

 CO 2   1 Nm CO 2 Nm 3 CO  1 kmoliCO 2 kmoliCO  1,571 kgCO 2 kgCO Arderea hidrocarburilor Cm Hn [1kmolCmHn  12m  n  kg]

Nm 3 H 2

TERMOTEHNICĂ

10

Prin ardere carbonul trece în CO2 , iar hidrogenul trece în vapori de apă, după reacţiile scrise anterior. Reacţia de ardere teoretică în oxigen a unei molecule de hidrocarbură C m H n este: n n  Cm H n   m  O2  m  CO2  H 2O . 4 2  n n  1kmolC m H n   m  kmoliO2  m  kmoliCO 2  kmoliH 2 O 4 2  n n  1Nm 3 C m H n   m   Nm 3 O 2  m  Nm 3 CO 2  Nm 3 H 2 O 4 2 

Ecuţia de control se obţine exprimând reacţia în kg:

12m  n  kgC m H n  32 m  n kgO 2 

4

 44  mkgCO 2  18 

n kg  H 2 O : 12m  n 2

iar pentru 1kg de combustibil: n n 18  44 m 4 kgO  2 kgH O 1kgC m H n  32  kgCO 2  2 2 12m  n 12m  n 12m  n m

Oxigenul theoretic O2 t este: n m 3 n  kmoliO 2 n   4 kgO 2 O 2t   m    32    m   Nm O 2 kmolC m H n kgC m H n  Nm 3 C m H n 4 12m  n 4  Oxizii formaţi sunt:

44m kgCO 2 kgC m H n Nm C m H n 12m  n mHn n 18  3 2 kgH 2 O  H 2 O   n KmoliH 2 O KmoliC H  n Nm H 2 O Nm 3 C H  kgC m H n m n 2 2 12m  n m n

 CO 2   m kmoliCO 2 kmoliC

3  m Nm CO 2

3



Pentru hidrocarburile gazoase exprimarea ecuaţiilor de ardere se face în Nm 3 sau kmoli , iar pentru hidrocarburile lichide exprimarea se face numai în kmoli sau în kg. Folosind ecuaţiile de mai sus se pot scrie ecuaţiile de ardere pentru: - etan CH 4 - acetilenă C2 H 2

TERMOTEHNICĂ

11

- etilenă C2 H 4 - etanol C2 H 6 - propan C3 H 8 - butan C4 H10 - alcool etilic C2 H 5OH - naftalină C10 H 8 - benzol C 6 H 6 Benzolul poate fi şi în stare de vapori. 1.4. Ecuaţiile de ardere în aer, cu oxigen diferit de oxigenul teoretic, pentru combustibilii cu compoziţie cunoscută Oxigenul necesar arderii este luat din aer, cu excepţia unor cazuri speciale (sudură cu gaze,motoare de rachete). Pentru calculul reacţiilor de ardere a combustibililor se consideră că aerul este uscat şi format numai din oxigen şi azot. Pentru aer simbolul convenţional este L (de la cuvântul german Luft): 1kgL  0,23kgO 2  0,77 kgN 2

1kmolL  0,21kmoliO 2  0,79kmoliN 2 1Nm 3 L  0,21Nm 3 O 2  0,79 Nm 3 N 2

În procesul de ardere azotul este considerat balast exterior. Ştiind cantitatea de oxigen  O 2 t  necesară arderii unităţii de cantitate de combustibil( Bsimbol pentru combustibil), se pot calcula cantităţile corespunzătoare pentru aer şi azot (folosind regula de trei simple): 3 O L  2 t Nm L sau kmoliL 3 Nm B kmoliB 0,21 O 2 t  kgL   sau: L  . kgB  0,23 



Pentru azot:

N2 

 



0,79  Nm 3 N 2  kmolN 2 O 2t   3 ; kmolB Nm B 0,21  

0,77  O 2 t  kgN 2 . kgB   0,23 În aceste relaţii oxigenul  O 2 t  fiind exprimat în: N2 

TERMOTEHNICĂ

12

kmolO 2

kmolB

sau

Nm 3O2

3

Nm B

sau

kgO 2

kgB .

Pentru studiul arderii se consideră un combustibil căruia i se cunoaşte compoziţia elementară:

1kgB  ch  s  o n   u  a subs tan ţe combustibile

balast gazos

Se consideră că oxigenul o din compoziţia combustibilului participă la procesul de ardere;deci din exterior se va introduce diferenţa dintre oxigenul necesar şi oxigenul din compoziţie. Se întâlnesc trei cazuri clasice de ardere: completă, excedentară şi incompletă. 1. Arderea completă Pentru ardere combustibilul dispune de cantitatea de oxigen strict necesară ca să oxideze complet componenţii combustibili. Cantitatea de oxigen necesară oxidării complete (ardere completă) a elementelor combustibile se numeşte oxigen stoichiometric sau oxigen teoretic  O2t  . Din exterior se introduce oxigenul minim O2 min , care împreună cu oxigenul propriu o al combustibilului formează oxigenul teoretic:  O 2 t  O 2 min  O 2comb  O 2 min  o kgO 2 kgB   Observatii. Datorită cantităţii foarte mici de oxigen din compoziţia combustibilului, în comparaţie cu oxigenul teoretic, de obicei nu se face distincţie între O2 t şi O2 min . Lmin , N 2 min sau Lt şi N t , reprezintă aerul şi azotul corespunzător oxigenului minim ( O2 min , O2 t ). Carbonul, sulful şi hidrogenul se oxidează complet şi trec în gazele arse sub formă de oxizi ( CO2 , SO2 , H 2O ). În gazele arse ( sau gazele de ardere) se găseşte şi balastul gazos al combustibilului (n şi u), cât şi balastul exterior N 2 min introdus odată cu oxigenul minim O2 min . Reacţia de ardere poate fi scrisă calitativ sub forma: B  L min  CO 2  SO 2  H 2 O  N 2

balast solid

TERMOTEHNICĂ

13

L min  O 2 min  N 2 min

unde:

(H 2 O)   H 2 O  oxid   H 2 O  umid.   H 2 O  oxid  u N 2  N 2 min  n

În gazele arse nu există nici un component combustibil şi nici oxigen; gazele arse fiind neutre din punct de vedere chimic. Prin oxidarea completă (arderea completă) a substanţelor combustibile a fost eliberată cantitatea maximă de căldură din combustibil, obţinându-se cea mai mare temperatură a gazelor de ardere (t 2). Temperatura maximă de ardere se obţine în cazul arderii stoichiometrice în oxigen pur, deoarece lipseşte azotul exterior ( N 2 min ), care are cea mai mare putere de răcire a gazelor arse (fiind în cantitatea cea mai mare). 2. Arderea excedentară Pentru ardere se introduce din exterior mai mult oxigen decât ar corespunde unei arderi stoichiometrice. Se notează O2 r oxigenul real introdus. Raportul: O N L   2 r  2 r  2 , în acest caz   1 , O 2t N 2t L t se numeşte coeficient de oxigen sau coeficient de exces de aer (denumire relativ improprie, deoarece sunt cazuri când   1 ) sau raport de aer (neutilizată la noi, ci în limbajul tehnic german şi anglo-american). În cazul acestei acestei arderi excedentare (   1 ) se observă că: substanţele combustibile reţin numai oxigenul stoichiometric O2 t pentru oxidarea lor completă, restul de oxigen, denumit oxigen excedentar ( O2 e ), rămâne ca balast exterior care se regăseşte în gazele arse. pentru   1 gazele arse au un caracter oxidant. Se calculează : O 2r    O 2 t ; O 2e  O 2r  O 2 t    O 2 t  O 2 t  O 2 t    1 O 2r O sau L r  2r 0,21 0,23

Lr 

N 2r 

0,79 0,77 O 2 r sau N 2 r  O 2r . 0,21 0,23

Ecuţia calitativă de ardere se scrie sub forma:

B  L r  CO 2  SO 2  H 2 O  O 2e  N 2

unde: N 2  N 2r  n .

14

TERMOTEHNICĂ

Această ardere pentru care   1 se numeşte ardere cu exces de aer sau ardere excedentară. Din punct de vedere energetic, substanţele combustibile ard complet şi eliberează întreaga lor căldură de reacţie, dar temperatura de ardere ( t 2 ) este mai mică decât în cazul arderii teoretice, datorită balastului de aer excedentar: L e     1 L t

Arderea excedentară se recunoaşte făcând analiza Orsat a gazelor de ardere: nu se găsesc elemente combustibile, dar se găseşte oxigen liber (excedentar). 3. Arderea incompletă Dacă oxigeul care intră în reacţie este mai puţin (cantitativ) decât oxigenul teoretic ( O2 r  O2t şi   1 ), arderea este denumită ardere incompletă sau ardere deficitară sau ardere cu lipsă de oxigen. O parte din elementele combustibile rămân nearse şi se elimină împreună cu ceilalţi componenţi ai gazelor arse. Rezultă că nu se poate obţine întreaga cantitate de căldură care ar putea fi eliberată de substanţele combustibile prin ardere completă. În gazele arse se vor găsi CO2 şi CO (substanţă combustibilă), deoarece hidrogenul arde foarte rapid, deci se oxidează complet ;în general, se consideră ca incompletă numai arderea carbonului. Pentru   1 ecuaţia calitativă de ardere va fi: B  L r  CO 2  CO  SO 2  H 2 O  N 2 . Observaţii. Oxidul de carbon se autoaprinde în prezenţa oxigenului la temperaturi mai mari de 6500C. Oxidul de carbon este foarte toxic; intră în reacţie chimică cu hemoglobina din sânge, dând un compus ireversibil, carboxihemoglobina, care nu absoarbe şi nici nu transportă oxigenul, deci staţionarea în atmosferă de CO poate provoca decesul prin asfixiere. Normele de protecţie a muncii prevăd controlul instalaţiilor de ardere şi remedierea lor imediată, dacă se constată degajări de CO în spaţiul de deservire a instalaţiei. 1.5. Calculul arderii excedentare pentru combustibili cu analiză elementară cunoscută (α>1) Se consideră un combustibil format din: 1kg comb.  c  s  h  o  n  u  a  1kgB

TERMOTEHNICĂ

15

Oxigenul teoretic va rezulta prin însumarea cantităţilor de oxigen necesare arderii complete a elementelor combustibile ( C , H 2 , S ): kgO 2  O 2 t  2,667  c  1  s  8  h   kgB   pentru coeficientul de aer α dat va rezulta: kgO 2  O 2r    O 2 t  kgB  Oxigenul introdus din exterior pentru ardere va fi:  kgO 2  O 2 min  O 2r  o  kgB  .  De obicei 0  O 2r şi se poate neglija  O2 ext  O2 r  . Cantitatea reală de aer introdusă din exterior: O  L r  2r  kgL kgB  0,23  Azotul introdus odată cu aerulul exterior:  kgN 2  N 2r  0,77 L r   kgB   Oxigenul excedentar: kgO 2  O 2e  O 2r  O 2 t     1 O 2 t   kgB   RO Compoziţia gazelor arse (simbol 2 ):   RO 2  g  3,667  c  2  s  kgRO 2  kgB   Observaţii. Deoarece cantitatea de sulf din combustibil este foarte redusă, iar proprietaţile termice ale SO 2 sunt apropiate de ale CO 2 , cantitatea RO 2  CO 2  SO 2 este considerată ca bioxid de carbon echivalent.  kgH 2 O  Cantitatea de vapori de apă :  H 2 O  g  9h  u   kgB   deci umiditatea din gazele arse este formată din vaporii de apă proveniţi din arderea hidrogenului şi din umiditatea combustibilului.  kgN 2  Cantitatea de azot din gazele arse:  N 2  g  N 2r  n   kgB   Cantitatea de oxigen excedentar:

TERMOTEHNICĂ

16

O2  g

 O 2e     1 O 2 t

 kgO 2    kgB  

Ecuaţia de ardere scrisă calitativ este:

1kgB  L r   CO 2  g   H 2 O  g   N 2  g   O 2e  g

1kgB   O 2r  N 2r    CO 2  g   H 2 O  g   N 2r  n  g     1 L t .

Calculul se poate face şi în kmoli sau Nm3. În cazul unui amestec combustibil format din mai mulţi combustibili (cunoscându-se participaţiile fiecăruia) calculul se face la fel, oxigenul teoretic O2t se calculeză prin însumarea cantităţilor de oxigen necesare arderii componenţilor. Verificarea corectitudinii calculelor se face exprimând toate cantităţile în kg şi verificând egalitatea ambelor părţi ale ecuaţiei.Calculul prezentat este valabil şi pentru arderea completă. Transformările din kmoli în g sau Nm3 se fac pe baza relaţiilor: VM kg  m  nM ; m  22,414 ; m kg  ; n kmoli ; M  kmol ; V  Nm 3  .   Pentru un amestec de combustibil gazos masa molară M se calculează cu relaţia: M   i M i . 1.6. Calculul arderii deficitare a combustibililor cu compoziţie elementară cunoscută (α<1) Dacă oxigenul intrat în reacţie este în cantitate insuficientă, atunci carbonul se oxidează parţial în CO2 şi parţial în CO(hidrogenul arde foarte rapid, deci în totalitate). Calculul este nesigur deoarece în timpul reacţiilor se pot apare combinaţii între carbon şi hidrogen  C m H n  , cât şi între H 2 şi sulf  H 2S , care pot să rămână parţial nearse, în special la deficite mari de oxigen. Pentru un calcul, oarecum apropiat de realitate, se consideră: deficitul de oxigen nu este exagerat de mare    0,85 ; combustibilul este bine amestecat cu oxigenul; nu apar combinaţii de forma C m H n sau H 2S ; hidrogenul şi sulful ard complet, deoarece au viteză de ardere mai mare. Pentru calcul se consideră un caz particular(   0,9 ), adică un combustibil format din: 1kgB  0,6kgC  0,4kgH 2

Pentru arderea completă:

TERMOTEHNICĂ

17

C  CO2  CO2 12kgC  32kgO 2  44kgCO 2 

0,6 12

1kgC  2,667kgO 2  3,667kgCO 2 0,6 44 0,6kgC  32 kgO 2   0,6kgCO 2 12 12 1 H 2  O2  H 2O 2 2kgH 2  16kgO 2  18kgH 2 O 

0,4 2

0,4kgH 2  3,2kgO 2  3,6kgH 2 O O 2 t  32 

0,6 kgO 2   3,2  1,6  3,2  4,8  kgB  12

 O 2 r    O 2 t  0,9  4,8  4,32 kgO 2 . kgB   Pentru arderea incompletă se notează cu x cantitatea de carbon care se oxidează complet  C  CO 2  şi cu y cantitatea de carbon care se oxidează incomplet  C  CO  . Există relaţia: x  y  0,6 . Pentu arderea incompletă a carbonului se scrie: 1 O 2  CO 2 12kgC  16kgO 2  28kgCO : 12 C

1kgC  1,33kgO 2  2,333kgCO

Pentru ambele cantităţi de carbon x şi y se scrie:

xkgC  2,667xkgO 2  3,667 xkgCO 2  ykgC  1,333ykgO2  2,333ykgCO de unde oxigenul corespunzător cantităţii de carbon (0,6kg) este:  O 2  C  2,667 x  1,333y  kgO 2 kgB  .   Dar:  O 2  C  O 2r   O 2  h

TERMOTEHNICĂ

18

 O 2  h - oxigenul necesar pentru arderea hidrogenului  0,4kgH 2  :

 O 2  h  3,2 kgO 2 kgB  .

  Se formează sistemul:

x  y  0.6  2,667x  1,333y  4,32  3,2  1,12 Se calculează x şi y, apoi : Lr 

O 2r ; N 2 r  0,77L r . 0,23

Ecuaţia de ardere va fi de forma: 1kgB  L r  3,667xkgCO 2  2,333ykgCO  3,6kgH 2 O   N 2 r  În cazul arderii deficitare, pentru combustibili formaţi dintr-un amestec de componenţi, se procedează astfel:  se determină masa molară a amestecului (M);  pentru componenţii combustibili se determină compoziţia  kg  elementară: c  h  s  kmolB ;    se determină ecuaţia de ardere în kg;  apoi se procedează ca în exemplul anterior. 1.7. Identificarea arderii prin analiza gazelor arse. Analiza Orsat de control Indiferent de starea de agregare a combustibilului, prin ardere rezultă gaze formate din: CO 2 , CO , SO 2 , H 2 O , N 2 şi O 2 . Ecuaţiile calitative ale arderii pentru cele trei cazuri sunt: - ardere stoichiometrică sau completă    1 : B  L t  RO 2  H 2 O  N 2 t - ardere excedentară    1 : B  L r  RO 2  H 2 O  N 2r  O 2e - ardere incompletă    1 :

B  L r  RO 2  CO  H 2 O  N 2r

TERMOTEHNICĂ

19

Analizând gazele de ardere se poate afla o concluzie privind regimul de ardere.Pentru analiza gazelor de ardere se utilizează analizoarele chimice sau electrice. Analizoarele electrice au precizie redusă, iar cele chimice au o precizie mai bună. Cel mai folosit este analizorul portabil Orsat. Principiul de funcţionare se studiază la Laboratorul de Termotehnică; aparatul foloseşte o serie de reactivi chimici care reacţionează fiecare numai cu un singur component din gazele de ardere. Analizorul Orsat analizează numai gazele uscate, deoarece vaporii de apă din gazele arse au fost condensaţi şi reţinuţi înainte de analiza gazelor. Dacă se notează cu  CO 2  ,  O 2e  şi  N 2  participaţiile procentuale ale celor trei componenţi din gazele arse, atunci se poate determina coeficientul α: N N 2r  N2    2r   N 2 t N 2r  N 2exc  N 2   0,79  O 2e  0,21 Pentru controlul arderii trebuie cunoscută valoarea coeficientului  (recomandată de proiectant), care se va compara cu cea calculată. Reglarea arderii se face folosind arzătoare automate; se face reglajul debitelor de combustibil şi de aer, astfel încât coeficientul de aer  să fie cel impus. 1.8. Calculul temperaturii de ardere (la temperaturi joase); diagrama i-t Căldura degajată prin ardere este absorbită integral în zona de ardere de către gazele rezultate, acestea fiind folosite ca agent de încălzire a comsumatorilor de căldură. Determinarea temperaturii de ardere se face efectuând bilanţul caloric.

Fig.11.1 Diagrama Sankey.

TERMOTEHNICĂ

20

În camera de ardere (focarul F) pătrunde cantitatea B de combustibil împreună cu cantitatea B  L de aer comburant( la temperatura t1), iar din focar iese cantitatea G de gaze arse(la t 2'  t 2 ). Se consideră că procesul de ardere are loc la presiune atmosferică, iar la temperatura de 0 0 C entalpia gazelor este egală cu zero, astfel căldura gazelor arse la temperatura t este: q 0t  i  i 0  i  c p  t

- căldura specifică medie izobară între 0 0 C şi temperatura t . Bilanţul caloric al sistemului termic(Fig.11.1) se scrie: cp

Fig.11.1

Q B  Q L  Q 2  Q g  Q F  Q gies

unde:

Q B  B  H i - căldura introdusă prin arderea combustibilului;

t t Q L  B  L  C pi 01 t 1    B  L t C pi 01 t 1 t t Q 2  G  C p 02 t 2   G i  C pi 02 t 2

- căldura introdusă de aer;

- căldura primită de gazele arse

temperatura teoretică de ardere t 2 . G i - cantitatea unui componenet   G i  G  ; t C pi 02

- căldura specifică medie între

00 C

şi t 2 pentru componentul i ;

Q F - căldura pierdută de gaze prin transmitere către mediul exterior prin

pereţii focarului ; Qgies - căldura gazelor la iesirea din focar (la t '  t ). 2 2 Q  Q  Q F  0 . gies Pentru un focar ideal: 2 Ecuaţia de bilanţ caloric pentru focarul ideal se poate scrie (pentu B  1 ):   H i    L t  Cp 0t1 t1  t 2  CO 2  Cp CO 0t 2  H 2O  Cp H O 0t 2  N 2 t  Cp N 0t 2    1 L t  Cp L 0t 2  2 2 2  

G t   CO 2    H 2 O   N 2 t - cantitatea gazelor de ardere teoretică    1 .    1 L t - aerul excedentar. t

C p 02

- căldurile specifice medii pentru componenţii respectivi. Ecuaţia se mai poate scrie:

TERMOTEHNICĂ

21

i 0  H i    L t  i L1   CO 2   i CO2   H 2 O  i H2O   N 2t   i N 2     1 L t  i L2  i g i 0  H i    L t  i L1 unde:

i0( kJ kgB )- entalpia de intrare pentru unitatea de cantitate de combustibil. Rezolvarea acestei ecuaţii se face în funcţie de scopul urmărit. Se deosebesc trei situaţii: I. Se ştie coeficientul de aer  şi se cere temperatura t 2 de ardere în focar. Rezolvarea se face prin încercări, deoarece, dacă nu se ştie t 2 , nu se ştie nici C p 0t 2 . Se parcurg etapele: - se calculează i 0  ct . - se admite o temperatură t 2' de încercare pentru care se iau din tabele - se determină

t'

i 'g  t '2  C pi 02  G i

- se determină eroarea

e1  i 0  i 'g

; de obicei

' C pi 0t 2

.

i 0  i 'g .

şi se observă semnul şi mărimea ei.

- se alege o altă temperatură

t

" 2

de încercare; dacă e 2

este tot pozitivă, se alege o temperatură mai mare "' " , t  t 2

2

obţinându-se astfel o eroare negativă. Fig.11.2. Diagrama .

TERMOTEHNICĂ

22

Se trasează graficul e  f  t 2  , temperatura corectă  t 2  fiind la intersecţia dreptei cu axa 0  t 2 , pentru care e  0 . II. Se cere să se determine coeficientul de aer  pentru a se obţine o temperatură t 2 impusă pentru ardere. În acest caz din ecuaţia de bilanţ caloric rezultă  :

t2 t2 t2 t2   Hi  t2 CO2  CpCO 0 H2O CpH O 0  N t2 CpN 0  Lt CpL 0  2  2 2  t t Lt CpL 02  t2  CpL 01t1  

III. În acest caz se studiază influenţa coeficientului de aer  asupra temperaturii de ardere. Se trasează diagrama ig  t 2 pentru diferite valori ale lui  (Fig.11.2).

i g  t 2   t 2  G i  C pi 0t 2  f  t 2 

Se calculează

i 0  H i    L t  C p 0t1 t 1 şi la intersecţia dreptei i 0  ct cu

curba i g  f  t 2  , pentru   ct , rezultă temperatura de ardere t 2 . Se constată că cea mai mare temperatură se obţine pentru   1 (ardere teoretică). În general, randamentul de utilizare a căldurii combustibilului poate fi  Qu  exprimat prin: B  Hi

Q

u

-căldura utilă a tuturor consumatorilor de căldură.

1.9. Disocierea termică. Diagrama i-t cu disociere Dacă temperatura de ardere nu depăşeşte 1100K, procesul de ardere decurge în mod normal, adică: B  O 2  oxid  Q

Q – căldura degajată prin ardere.

TERMOTEHNICĂ

23

Săgeata spre dreapta   arată o reacţie exotermică (cu degajare de căldură). La temperaturi mai mari apare însă şi fenomenul invers, de descompunere a oxizilor în componenţi. Procesul de disociere (de descompunere) este un proces endotermic, căldura de disociere este absorbită de la gazele arse, micşorându-le temperatura. CO2 se descompune în CO şi O2 , ecuaţia de disociere fiind: CO 

1 O2 2

CO 2

Săgeata spre stânga   arată că procesul este endotermic. Gradul de disociere depinde de temperatură şi anume creşte odată cu creşterea temp. Se admite că, pentru temperatura dată, dintr-un kmol de CO 2 numai r kmoli disociază în CO şi O2  r  1 , atunci compoziţia gazului la temperatura dată va fi: 1  r  kmoliCO 2  rkmoliCO  0,5rkmoliO 2 în reacţie fiind prinsă căldură de 282 600 r  kJ  , care nu poate fi eliberată. 282600 kJ - căldura oţinută prin arderea unui kmol de CO. Se deosebesc 2 cazuri: a. Dacă temperatura scade treptat, atunci echilibrul se deplasează continuu spre CO 2 , micşorându-se gradul de disociere r , până se ajunge la r  0 , recuperându-se întreaga cantitate de căldură prin arderea a r kmoli de CO . b. Dacă temperatura scade brusc prin contactul gazelor fierbinţi cu suprafeţe reci, atunci temperatura poate scădea sub temperatura de aprindere a oxidului de carbon CO , căldura legată nu se mai recuperează, iar în gazele arse se găseşte: CO2 , CO şi O2 . Se notează cu qD căldura de disociere, ecuaţia de disociere se scrie sub formele: H i    L t  C p L  t 1  q D   i g (A) H i    L t  C pL  t 1   i g  q D

(B)

Fig.11.3. Diagrama i-t cu disociere.

TERMOTEHNICĂ

24

Cele 2 forme sunt echivelente, însă forma diagramei i  t este modificată(Fig.11.3). Se notează : t D - temperatura la care începe să se cunoască influenţa disocierii. t 2 t - temperatura teoretică (nu există disociere). t 2D - temperatura de ardere cu disociere. La temperaturi mai mari de 1400 K apare disocierea bioxidului de carbon după relaţia: 1 O2 2

CO 2

H2 

1 O2 2

H 2O

OH 

1 H2 2

CO 

Vaporii de apă  H 2O  disociază în două moduri:  în elemente componente:  în oxidril şi hidrogen: H 2O

La temperaturi joase de ardere azotul este un gaz inert din punct de vedere chimic, dar la temperaturi înalte se oxidează trecând în monoxid de azot: NO

1 1 N2  O2 2 2

Hidrogenul existent în urma disocierii vaporilor de apă, precum şi oxigenul produs prin disocierea CO2 şi a H 2O , disociază (se desfac în atomi):

H

1 H2 ; O 2

1 O2 2

Pentru un calcul general, se consideră două substanţe A şi B în cantităţile a şi b kmoli, care prin reacţie degajă căldură şi se obţin produsele C şi D în canităţile c şi d kmoli, după reacţia: akmoliA  bkmoliB ckmoliC  dkmoliD La echilibru, produsele secundare C şi D vor reacţiona în sens invers, obţinându-se componentele primare din care au provenit. La temperatura de echilibru căldura de reacţie nu se mai cedează exteriorului (şi nici nu se absoarbe căldură), ci rămâne legată în reacţie. După legea maselor, constanta de echilibru raportată la substanţa A, luată ca bază, şi la presiunea p va avea forma:

TERMOTEHNICĂ K pA 

25

p cC  p dD p aA  p bB

p A , p B , p C şi p D - presiunile parţiale ale componeneţilor A, B, C şi D ;

după legea lui Dalton (amestecuri de gaze perfecte) presiunea totală a p  pA  pB  pC  pD amestecului este: Se consideră un amestec de gaze având în total n kmoli dintre care, la temperatuta t , n i kmoli de substanţe nu reacţionează chimic în ambele sensuri (deci sunt gaze inerte), în timp ce substanţele A, B, C şi D, având n A , n B , n C şi n D kmoli, reacţionează în ambele sensuri . La echilibru, se scrie: n  n A  n B  n C  n D  n i  kmoli  . Participaţia  x va fi: n p x  x  x n p

adică: n p n n n n A  A  A  p A  p  A ; p B  p  B ; p C  p  C ; p D  p  D , n p n n n n

iar constanta de echilibru va fi:

n c  n d  p    c  d   a  b   K pA  C D   n aA  n bB  n 

de unde: n cC  n dD

 p  K pA    a b n nA nB

  a  b   c d  

Exemplu: Se admite un proces de ardere cu exces de aer    1 . În lipsa disocierii, numărul total de kmoli ai gazelor arse, considerate cu gaze inerte, va fi: n i  n CO2  n H 2O  n O 2  n N 2 . Cantitatatea de substanţă care disociază depinde de temperatură. Se consideră că la temperatura t (pentru care se face calculul disocierii) din cantitatea n CO 2 numai r kmoli de CO 2 disociază, adică:





rCO 

1 rO 2 2

rCO 2

restul de n CO2  r kmoli nu disociază (gaz inert).

TERMOTEHNICĂ

26

Similar, din n H 2O kmoli de vapori de apă vor disocia numai s moli, adică: 1 sO 2 sH 2 O 2 restul de n H 2O  s kmoli de H 2 O rămâne ca gaz inert.





sH 2 

Compoziţia gazelor la echilibru va fi: CO 2 H 2O O2 Substanţa Numărul 1 1 de kmoli n n H 2O  s n O2  r  s CO 2  r la 2 2 echilibru şi în total:



sau:

 

N2 n N2

CO H 2

r

s



1 1   n  n CO2  r  n H2O  s   n O2  r  s   n N 2  r  s 2 2   1 1 n  ni  r  s 2 2

Deci, prin disociere a crescut numărul de kmoli pentru gazele arse cu 1  1  r  s 2  2

Cunoscând cantităţile r şi s (în kmoli de CO 2 şi de H 2 O ) disociate, căldura de disociere q D va fi: q D  rH i  sH i  282.600r  286.500s kJ  CO H 2

Pentru a determina cantitătţile r şi s disociate se rezolvă sistemul format de ecuaţiile: CO 2

 1 CO  O 2  2 H 2 O  CO

CO 2  H 2 (gaz de apă)

Pentru disocierea CO 2 : n CO 2 b n aCO  n O

 Kp 2

p   CO n  

  a  b   c  d  

TERMOTEHNICĂ

unde: a  1 ; b 

27

1 ; c  1 ; d  0 şi înlocuind cu datele din tabel se obţine 2

ecuaţia (A): 1

 2   n CO 2  r p   K pCO  1 1 1    ni  r  s  1 1 2   2 2  r n O2  r  s  2 2  





(A)

Pentru disocierea gazului de apă  CO2  H 2  :

  a  b   c  d   n cCO  n dH p 2 2  Kp   b H 2O n n aH O  n CO 2

unde: a  1 ; b  1 ; c  1 ; d  1 şi înlocuind cu datele din tabel se obţine ecuaţia (B) :

n CO2  r   s n H2O  s  r  K pH2O

(B)

Constantele de echilibru sunt date în tabele sau diagrame(Fig. 11.4). Prin rezolvarea ecuaţiilor (A) şi (B), se obţin r şi s. Rezolvarea ecuaţiilor se face şi pe cale grafică(Fig.11.5). Se reprezintă grafic s  f  r  atât pentru ecuaţia (A), cât şi pentru (B). La intersecţia curbelor rezultă valorile  s, r  căutate.Pentru rezolvare se dau valori lui r cuprinse între r  0 r  nCO (lipsa disocierii) şi (disociere totală); va rezulta : s  0, nH O . 2

Fig.11.4. Diagrama logKp-T.



2



Având r şi s calculate se poate afla căldura de disociere. Repetând operaţiile descrise şi pentru alte temperaturi se determină q D  f  t  , astfel că se poate trasa ramura

Fig.11.5. Rezolvarea grafică pentru s şi r.

TERMOTEHNICĂ

28

corectată a diagramei i  t şi se poate determina temperatura t 2 D de ardere cu disociere. Procesul de calcul este foarte laborios pentru un calcul normal, chiar cu minicalculatoare perfecţionate. Pentru trasarea diagramei se recomandă utilizarea unui program de calcul( utilizând calculatorul). Se procedează astfel:  se calculează cantităţile de CO 2 şi H 2 O care disociază (r şi s);  se determină căldura de disociere q D : q D  r  Hi CO  s  HiH 2 ;  ştiind qD , se trasează ramura corectată a diagramei i-t;  se determină temperatura t 2 D de ardere cu disociere: t 2D  t 2 Z . Procesul de disociere este nedorit în timpul arderii, deoarece scade temperatura de ardere t 2 . 1.10. APLICAŢII Problema 1.

Care este randamentul global al unui motor termic care .

consumă debitul de combustibil m  12 kg , avand puterea calorica h inferioară H i  11000 kcal kg şi ştiind că puterea obţinută la arbore este P  70CP

1CP  75kgf  m s ;

1kgf  9,81N ; 1kcal  4180J 

.

70  75  9,81  0,33 33%  . . 12  11000  4180 Qc m Hi 3600 Problema 2. Să se determine puterea calorică superioară H s şi puterea calorică inferioară H i a unui amestec gazos format din 70% butan C4 H 10 si 30% propan C3 H 8 . 

P



P



Puterea calorică a unui amestec de substanţe combustibile este calculată ca suma produselor dintre participaţiile componenţilor şi puterile lor calorice; din tabelul de puteri calorice (din “Anexă”)rezultă:

H s  128530 kJ

Nm 3

C 4 H10  99130 kJ

Nm 3

C3H8 ;

TERMOTEHNICĂ

29

H i  118480 kJ

C H  91090 kJ 3 C 3 H 8 ; Nm 3 4 10 Nm B; şi numeric: H s  0,7  128530  0,3  99130  119710 kJ Nm 3 H i  0,7  118480  0,3  91090  110263 kJ 3 B . Nm Problema 3.

Un combustibil gazos este format din acetilenă

etilenă C2 H 4 şi aer.Puterea calorică măsurată fiind H i  51300 kJ

C2 H 2 ,

Nm 3

B,

se cere să se determine compoziţia gazului, participaţia oxigenului fiind de 2,1%. În gazul combustibil numai acetilena şi etilena sunt substanţe combustibile. Notînd cu 1 si  2 participaţiile acetilenei şi etilenei, puterea calorică a combustibilului este: H i  1  H1   2  H 2 Din “Anexă”, puterile calorice ale componenţilor sunt:

H1  56020 kJ

Nm 3

C2H 2 ;

H 2  58980 kJ

Nm 3

C2H 4 ;

Compoziţia volumică a aerului fiind de 21% O2 şi 79% N 2 , la participaţia de 2,1% oxigen  O  2,1  10% L  2  corespunde participaţia aerului: .  O 2  0,21    L Aşadar, avand  1 2  0,9 se obţine: H i  1  H 1   0,9  1   H 2 de unde: H  0,9  H 2 51300  0,9  58980 1  1   0,6(60%) H1  H 2 56020  58980 Rezultă participaţiile:  C2 H 2   60% ;  C2 H 4   30% ;  L   10% . Problema 4. Să se determine reacţia de ardere în aer pentru 1Nm 3 de metan, coeficientul de aer fiind   1,5 , precum şi analiza Orsat de control. Calculul se va efectua în Nm 3 .

TERMOTEHNICĂ

30

Reacţia de ardere a unei molecule de metan este:

CH 4  2O 2  CO 2  2H 2 O care, scrisă pentru cantitatea de 1Nm 3 de CH 4 , va fi: 1Nm 3 CH 4  2 Nm 3 O 2  1Nm 3 CO 2  2 Nm 3 H 2 O .

Oxigenul teoretic este: O 2 t 

2 Nm 3 Nm 3 B

3 Oxigenul real va fi: O 2r    O 2 t  1,5  2  3 Nm O 2

Nm 3 B

Oxigenul excedentar: O 2exc     1 O 2 t  0,5  2 

1Nm 3O 2

Nm 3 B

.

Aerul real Lr introdus din exterior este: 3 O 2r 3 Lr    14,29 Nm L Nm 3 B .  O 2  0,21    L  Azotul introdus din exterior odată cu oxigenul este:

N 2r 

79 79 Nm 3 N 2 O 2 r  L r  O 2 r   3  11,29 . Nm 3 B 21 21

Reacţia de ardere în aer a metanului este: 1Nm 3 CH 4  14,21Nm 3 L  1Nm 3 CO 2  2 Nm 3 H 2 O  1Nm 3 O 2  11,29Nm 3 N 2 Pentru analiza Orsat de control se calculează cantitatea de gaze uscate  G usc  . G usc  1Nm 3 CO 2  1Nm 3O 2  11,29Nm 3 N 2  13,29

Nm 3 G usc

1Nm 3 B

iar participaţiile componenţilor în gazele uscate vor fi: CO  CO 2   2  1100  7,5% ;  O 2   O 2  1  100  7,5% . G usc 13,29 G usc 13,29 Restul de 85% reprezintă participaţia azotului:  N 2   N 2  100   CO 2    O 2  =85%. G usc

TERMOTEHNICĂ

31

Problema 5. Să se determine reacţia de ardere în aer cu   1,5 şi analiza Orsat de control pentru un combustibil gazos care are compoziţia volumică:  CO   20% ;  C 4 H10   25% ;  H 2   40% ;  CO 2   10% ;  N 2   5% . Vor arde numai componenţii combustibili: oxidul de carbon, butanul şi hidrogenul, restul constituie balast. Din reacţiile pentru: 1    CO  O 2  1CO 2  2   13   C4H10 :  C 4 H 10  O 2  4CO 2  5H 2 O  2   1   H2 :  H 2  O 2  1H 2 O  2   rezultă oxigenul teoretic O 2 t :

CO:

O 2t 

3 1  CO  13  C 4 H10   1  H 2   0,5  0,2  6,5  0,25  0,5  0,4  0,925 Nm O 2 Nm 3 B 2 2 2

Şi oxizii: 3

Nm CO 2 ; CO 2   CO   1   C 4 H 10   4  0,2  1  0,25  4  1,2 Nm 3 B H 2 O   C 4 H10   5   H 2   1  0,25  5  0,4  1  1,65

Nm 3 H 2 O

Nm 3 B

Oxigenul real O 2r este: O 2r    O 2 t  1,5  1  1,925  2,888

Nm 3O 2

Nm 3 B

Oxigenul excedentar: O 2exc     1 O 2 t  0,5  1,925  0,963

Nm 3O 2

Nm 3 B

Aerul introdus pentru ardere din exterior este: 3 O 2,888 L ext  L r  2r   13,752 Nm L O2 0,21 Nm 3 B , care contine azotul: L

.

TERMOTEHNICĂ

32

N 2ext  N 2r  L ext 

3 N2 N2 79   O 2r   2,888  10,864 Nm N 2 Reacţia L O2 21 Nm 3 B

de ardere în aer a combustibilului este: 1Nm 2 B  13,752Nm 3 L  1,3Nm3CO 2  1,65Nm 3 H 2 O  0,963Nm3O 2  10,914Nm 3 N 2

Gazele uscate de ardere vor fi dioxidul de carbon, oxigenul şi azotul: G usc  1,3  0,963  10,914  13.,77

Nm 3G usc

Nm 3 B

Participaţiile componenţilor vor fi:  CO 2   100  CO 2  100  1,3  9,866% G usc 13,177  O 2   100  O 2  100  0,963  7,308% G usc 13,177  N 2   100  N 2  100  10,914  82,826% G usc 13,177 Problema 6. Participaţia CO2 în gazele de ardere în aer a metanului este de 8%. Fiind prezent oxigenul în gaze, în timp ce CO este absent, să se determine coeficientul  de aer. Reacţia de ardere în aer a metanului este:

1B    L  CO 2  H 2 O    N 2 t     1  O 2 t

Gazele ,,uscate” au compoziţia : G usc  CO 2    N 2 t    O2 t  O2 t  CO 2  O2 t   N 2 t  O2 t   CO 2  O2 t    L t CO 2 100  CO 2  şi se obţine: G usc CO 2  O 2 t    L t 100  CO 2   CO 2  CO 2  O 2 t  100  1  81  2    1,42 2 2 .  CO 2   O 2t 8 0.21 0,21 Problema 7. Prin analiza Orsat a gazelor de ardere, rezultate prin arderea unei hidrocarburi gazoase, s-a obţinut următoarea compoziţie:  CO 2   8,9% ;

avînd participaţia CO 2 :  CO 2   100

 O 2   7,4% ;  N 2   83,7% .

TERMOTEHNICĂ

Să se determine coeficientul

33

 de aer cu care s-a efectuat arderea.

Prezenţa oxigenului în gazele de ardere (şi lipsa oxidului de carbon CO) indică o ardere cu exces de aer, coeficientul  trebuie să fie supraunitar. Se scrie:



N 2r N 2r N2   N 2t  N 2r  N 2e   0,79  şi numeric: O2   N2  0,21  

83,7  1,5 0,79 83,7  7,4 0,21 Într-un focar arde propan C 3 H 8 cu un coeficient de aer

 

Problema 8.   0,8 .Arderea hidrogenului este completă, iar carbonul trece în gazele de ardere sub formă de CO 2 si CO . Să se determine reacţia de ardere şi analiza Orsat de control. Arderea stoichiometrică a moleculei de propan în oxigen este : C 3 H 8  5O 2  3CO 2  4H 2 O

Arderea este deficitară în oxigen, deci în gazele de ardere lipseste O 2 şi este prezent CO. Oxigenul teoretic:

O 2 t  5 kmoliO2

kmolB

Cantitatea reală de oxigen este:

O 2r    O 2 t  0,8  5  4 kmoliO 2

kmolB

Reacţia de ardere în oxigen va avea forma:

C 3 H 8  4  O 2  x  CO 2  y  CO  4  H 2 O

în care nu cunoaşte proporţia dintre x si y (dintre CO 2 si CO). După atomii de carbon se scrie: x  y  3atomiC . Hidrogenul H 2 reţinînd 4 atomi de O 2 , pentru oxidarea carbonului rămîn disponibili numai 8-4=4 atomi de O2 .Astfel: 2  x  y  4atomiO2 . Rezolvînd sistemul, se obţine: x  1 ; y  2 , astfel încat, exprimînd cantităţile în Nm 3 , reacţia de ardere în oxigen a combustibilului va fi : 1Nm 3 C 3 H 8  4 Nm 3 O 2  1Nm 3 CO 2  2 Nm 3 CO  4 Nm 3 H 2 O

Azotul introdus este :

TERMOTEHNICĂ

34

N 2r 

3 0,79  O 2r  3,762  4  15,048 Nm N 2 0,21 Nm 3 B

Reacţia de ardere în aer devine: 1Nm3C3H8  4 Nm3O 2  15,048Nm3 N 2   1Nm3CO 2  2 Nm3CO  4 Nm3H 2O  15,048Nm3 N 2

Gazele uscate fiind: 3 G usc  CO 2  CO  N 2  1  2  15,048  18,048 Nm G

Nm 3 B

Participaţia componenţilor este:

1  100  5,54% 18,048  CO   2  100  11,08% 18,048 15,048  100   83,40% ;  i  100% 18,048

 CO 2  

 N2 

Problema 9. Pe cursa de admisie a unui motor în 4 timpi,avînd turaţia

n  3000 rot

min ,se aspiră aer cu presiunea

p1  1bar şi temperatura

t 1  20 0 C ,volumul corespunzător aspiraţiei fiind Va  1300cm 3 . Ştiind că

arderea combustibilului este completă (   1 ), iar compoziţia benzinei este: c  85%C şi h  15%H 2 ,să se determine consumul orar de combustibil . kg J . m kgB  . Se consideră pentru aer: rL  287 kgK , M L  29 h kmol   .

Debitul volumic orar de aer este: V L  .

VL 

n  60  Va 2

 cicli m 3 m 3      h ciclu h  

3 3000  60  1300  10  6  117 m h 2

Debitul masic de aer este: .

p V L 1  10 5  117 mL  1   139,13 kgL h r1T1 287  293 Se scriu ecuaţiile de ardere (în kg) pentru C si H 2 : C  O2  CO2 ; 1kmolC  1kmolO 2  1kmolCO 2 .

TERMOTEHNICĂ 12kgC  32kgO 2  44kgCO 2 x 

35 0,85 12

1 1 H 2  O2  H 2O ; 1kmolH 2  kmoliO 2  1kmolH 2 O 2 2 2kgH 2  16kgO 2  18kgH 2 O x 

O 2 t  32  Lt 

0,15 2

0,85 0,15  16   3,46 kgO 2 kgB . 12 2

O 2t 3,46   15,04 kgL kgB . 0,23 0,23

Consumul orar de combustibil va fi:  kgL    mL  h kgB  mB   L t  kgL h     kgB  .

.

.

mB 

139,13  9,25 kgB h 15,04

 kg  Obs. Ştiind densitatea benzinei  3  , se poate calcula consumul orar  m 

de combustibil în

l  dm 3 h  h

.

 mB : . l  VB     10  3 h m  10kg de gaz combustibil

 

Problema 10 Cantitatea este formată dinrun amestec stoichiometric de acetilenă  C2 H 2  şi oxigen .Să se determine căldura obţinută prin ardere, puterea calorică a acetilenei fiind

H i  48294 kJ

kg .

Căldura de ardere va fi :

Q  m C2H 2  H i  kJ 

5 2 C 2 H 2  2,5kmoliO2  2kmoliCO2  1kmoliH 2 O 26kgC 2 H 2  80kgO 2  88kgCO 2  18kgH 2 O

Se scrie ecuaţia de ardere a acetilenei: C 2 H 2  O 2  2CO 2  H 2 O

Rezultă sistemul:

36

TERMOTEHNICĂ

 mC2H2 26    mO2 80 m  m  10  C2H 2 O2 iar căldura va fi:

 m C2H 2  2,45 kg

Q  2,45  48294  118,320kJ