1

Sef lucr.univ. Ec.Dr.Ing. Ioan V. CĂLDARE

UNIVERSITATEA 1 DECEMBRIE Facultatea de StiinteAnul II I.M. – TERMODINAMICA SI PROCESE DE TRANSFER

TERMODINAMICA PROCESELOR DE ARDERE

2

ARDEREA COMBUSTIBILIOR

1. ASPECTUL CHIMIC AL ARDERII COMBUSTIBILILOR:

Aspectul chimic al arderii ia in considerare :- bilanţul de materiale care apare în timpul arderii- degajarea de căldură.

2. ASPECTUL FIZIC AL ARDERII COMBUSTIBILIOR:Aspectul fizic al arderii ia in considerare:

- factorii aerodinamici care determină o anumită viteză de desfăşurare a reacţiilor.

- factorii termici care determină participarea anumitor fluxuri de căldură în diferitelor etape ale arderii.

3

1. ASPECTUL CHIMIC AL ARDERII COMBUSTIBILIPOR1. Arderea combustibilior2. Aspectul chimic al arderii2.1.Ecuaţiile de stare pentru 1 m3N combustibil gazos2.2. Ecuaţiile de stare pentru 1 kg de combustibil solid2.3. Densitatea gazelor de ardere şi presiunea parţială2.4. Entalpia gazelor de ardere. Diagrama I-t2.5. Căldura specifică a gazelor de ardere. Diagrama Cp-t 2.6. Controlul arderii. Triunghiul OSTWALD

4

1. ARDEREA COMBUSTIBILIORProcesul de ardere este un fenomen fizico-chimic complex prin care

elementele combustibile (sau compuşi ai acestora) se combină în mod puternic exoterm cu oxigenul din aer.

Arderea completă :Este atunci cînd produsele de ardere nu mai posedă energie

chimică.Înseamnă o conversie integrală a energiei chimice în energie

termică.

Ardera chimică incompletăEste atunci cînd produsele arderii mai posedă energie chimică de

reacţie.În gazele de ardere apar componente doar parţial oxidate (CO) sau chia

neoxidate ( H2, CH4 etc).- datorită lipsei de oxigen nu toate moleculele sunt supuse unei oxidări

complete.

5

Ardera mecanică incompletă – avem când în amestec cu produsele arderii se găseşte combustibil nears.

- cărbune în amestec cu zgură (la arderea cărbunelui )- metan amestecat cu CO2, H2O vapori (la arderea gazelor naturale) Arderea perfectă teoretică : este arderea completă care ar avea loc numai cu cantitatea teoretică

minimă stoichiometrică de oxigen.

Presupune condiţiile ideale de amestec de combustibil cu oxigen.- care nu se poate realiza în practică- în realitate se poate realiza doar un amestec imperfect.Sunt necesare cantităţi de oxigen mai mari decât cele teoretice pentru ca fiecare

moleculă din elementul combustibil să-şi găsească oxigenul necesar arderii.

Arderea reală ( imperfectă): se caracterizează printr-un amestec imperfect între combustibil şi aer, necesitând aer în exces.

6

Relaţiile dintre diferitele tipuri de ardere: L- debitul de aer necesar arderii realeL min -debitul de aer necesar arderii teoretice

7

Condiţii pentru o arderea completă :

- Exces de aer suficient;

- O bună amestecare a combustibilului cu aerul;

- O bună aprindere;- O ardere stabilă.

8

2. ASPECTUL CHIMIC AL ARDERII

Aspectul chimic al arderii ia in considerare :- bilanţul de materiale care apare în timpul arderii- degajarea de căldură.

9

Compoziţia combustibilului:

10

2.1. Scrierea ecuaţiilor de ardere pentru 1 m3N combustibil gazos

Se pleacă de la ecuaţia molară a reacţiei:

Obs. La 1,01325 bar şi 273,15 K orice kmol de gaz perfect are volumul de 22,414

Împărţind 22,414 şi înmulţind cu procentul de din combustibil ( ), rezultă:

42224 22 CHQOHCOOCH

42224 2121 CHQOkmolHkmolCOkmolOkmolCH

423

23

23

43 414,222414,22414,222414,22 CHNNNN QOHmCOmOmCHm

1004CH

)1(100100

2100100

2100 4

42

342

342

344

34CHNNNN Q

CHOHm

CHCOm

CHOm

CHCHm

CH

11

Ecuaţiile de ardere pentru celelalte componente combustibile din compoziţia combustibilului gazos:

Adunăm relaţiile1,2,3,4,5:

)2(100100100

2100 2

32

33CONNN q

COCOm

COOm

COCOm

CO

)3(1001001002

1100

32

32

32

3HNNNN qm

HOHm

HOm

HHm

H

)4(1001001002

3100 2

322

322

322

32SHNNNN qm

SHOHm

SHOm

SHSHm

SH

)5(10010021001004100 42

32

332

33CH

nmN

nmNN

nmN

nmnmN

nm QHC

OHmHCn

COmmHC

mOmHCn

mHCmHC

iSOOHCOON HVVVVcombdemdinardcareElementele ''''3

2222.1

12

- volumul de oxigen necesar reacţiei - volumul de gaze produse ale arderii - puterea calorifică a reacţiei = efectul termic al reacţiei. = Volumul teoretic de aer necesar arderii unui de combustibil gazos. = Volumul teoretic total de gaze de ardere:

- volumul componentelor triatomice din gazele de ardere

'

2OV'''

222 SOOHCO VVV

iH

0V

0gV

]/[ 330 222

combmmVVVV NNOHNROg 222 SOCORO VVV

3Nm

13

Coeficientul de exces de aer :

V- volumul real de aer utilizat la ardere V0-volumul teoretic de aer pentru arderea unităţii de combustibil - volumul de aer în exces, care trece în gazele de ardere volumul de aer în exces, care trece în gazele de ardere

unde: -volumul real al gazelor de ardere.

10

V

V

tan)(10,105,1 megaz

0)1( V

00 )1( VVV gg gV

14

2.2. Ecuaţiile de ardere pentru 1 kg de combustibil solid sau lichid

Pentru 1 kg de combustibil:

%100 AWONSHC

15

kmolkJQkmolCOkmolOkmolC C /111 22

Scrierea ecuaţiilor de ardere:- se pleacă de la reacţia molară a reacţiei:Ecuaţia de ardere pentru conţinutul procentual de carbon:

CQCOOC 22

kgCkmolC 121

kgkJQkgCOkgOkgC C /443212 22

1/1001003

11

1003

8

100 22 kgkJQC

kgCOC

kgOC

kgCC

C

16

Analog se deduc relaţiile de ardere pentru H2 şi S:

Adunăm relaţiile 1,2 şi 3:

2/100100

9100

8100 222 kgkJQH

HOkgH

HkgO

HkgH

H

3/100100

2100100 22 kgkJQ

SkgSO

SkgO

SkgS

SS

iO HHOSOCOMcombdekgdinardcareElementele ][.1 '2

'2

'2

'

2

17

'

2OM = masa de oxigen necesară reacţiei = gazele produse ale arderii. - puterea calorifică a reacţiei = efectul termic al reacţiei. -volumul teoretic de aer necesar arderii a unui kg de combustibil - volumul de oxigen necesar arderii

'2

'2

'2 HOSOCO

iH

0V

2OV

221,0

10 OVV

18

carbon redus

Volumul teoretic al gazelor de ardere:

Volumul real al gazelor de ardere:

%375.0 SCK

]/[ 30 222

kmVVVV NOHNROg

00 )1( VVV gg

gratarpearscarbune

einsuspensiprafcarbune

billichidcombustiu

80,140,1

40,120,1

15,105,1

19

2.3. Densitatea gazelor de ardere şi a presiunile parţiale:

a) Densitatea gazelor de ardere:- la starea normală ( ):

pentru combustibil gazos

pentru combustibil lichid sau solid:

unde: -densitatea combustibilului la starea normală - densitatea aerului la stare normală

pentru o temperatură medie tg:

0

3

0

0.0

N

aercomb

mkg

V

V

30

0

1

Ng

aer

mkg

V

V

.combaer

30 273

273

Ngg m

kgt

20

b) presiunile parţiale ale gazelor triatonice RO 2 şi H2O:

unde: - presiunea absolută a gazelor de ardere (de obicei )

][2

2barp

V

VP g

g

RORO

][2

2barp

V

VP g

g

OHOH

gp

barpg 1

21

2.4. Entalpia gazelor de ardere. Diagrama I-t

Entalpia este o mărime de stare ce caracterizează, ca şi energie internă, nivelul energetic al unui sistem termodinamic ( este un potenţial termodinamic):

unde :I= entalpiaU= energia internăpV- lucru mecanic de deplasare.

][JVpUI

22

Teoria cinetico-moleculară:

unde : - suma energiilor cinetice, moleculare corespunzătoare mişcărilor de translaţie, rotaţie şi vibraţie. - suma energiilor potenţiale datorită forţelor de interacţiune dintre molecule. - suma energiilor din interiorul moleculelor sau a atomilor.

i- entalpia specifică (masică) - pentru unitatea de masă:

unde:u- energia internă specifică

][0 JUUUU potcin

][ kgJvpui

cinU

potU

0U

23

b) Diagrama I-t a gazelor de ardere

Se utilizează în calculul termic al cazanelor, pentru stabilirea temperaturii gazelor de ardere în diferite puncte ale traseului acestora;Entalpia gazelor de ardere = suma entalpiilor gazelor componente:

unde: - entalpia specifică a gazelor componete, care sunt funcţie de temperatura amestecului - volumele componetelor gazelor arse, rezultate prin arderea unui kg sau a unu de combustibil.

kg

kJsaum

kJiVViViVIN

OOOHNNROROg 30 ;2222222

ii

iV

24

Pentru arderea cu exces de aer:

Calculul diagramei I-t:Pentru = 1 se calculează pentru excese de aer reale: - se calculeaza I- se trasează cubele I-t care sunt specifice fiecaărui combustibil.

;1 00 tfIiVII aerg

25

1-2 = procesul de răcire a gazelor de ardere de la starea 1 la starea 2.

26

Fluxul de căldură Q cedat de gazele de ardere, în procesul de răcire 1-2 este:

Q = B (I1-I2)

unde :B- debitul de combustibil sau

skg

smN

3

27

Modul de utilizare a diagramei I-t

a) Pentru o suprafaţă de schimb de căldură :- se dau ( ti şi te) şi :

ti- temperatura de intrare a gazelor de ardere în suprafaţa de schimb de căldură;

te- temperatura de ieşire- se citesc din diagrama I-t:

Se calculează:

Q = B (I1-I2) ; [KW]

iii tfI ;

eee tfI ;

28

b) Pentru o suprafaţă de schimb de căldură:- se dau Q, ti,

- se citeşte din diagrama I-t:

- determinăm :

- se citeste în diagramă I-t :

i

iii tfI ;

B

QII ie

eee Ift ;

29

Căldura specifică a gazelor de ardere. Diagrama Cp-t

Capacitatea calorică = cantitatea de căldură necesară pentru ridicarea temperaturii unui corp cu 1 K .Căldura specifică c = capacitatea calorică a unităţii de cantitate de substanţă.

c = energia termică necesară unităţii de cantitate din acea substanţă pentru aşi mări temperatura cu 1K.

gaz perfect din punct de vedere al naturii transformării realizată de substanţă.

1221 TTcmQ

kgKJ

TTm

Qc

12

21

kgKJRcc vp

30

Diagrama cp -t a gazelor de ardere

Relaţia de legătură I- cp este:

si:

tcVVtcVI pgPg 00 1

AER

gN

g

NOH

g

OHRO

g

ROP c

V

Vc

V

Vc

V

Vc

V

Vc 01

2

2

2

2

2

2

;tfcP

31

Diagrama cp -t a gazelor de ardere

32

Modul de utilizare a diagramei Modul de utilizare a diagramei cp -t

- se da ( )- se citeşte în diagrama cp - t:

- se calculează :

unde:

ei ;

iiPi tfc ;

eePe tfc ; epegeipigi tcVtcVBQ

00 1 VVV gg

33

b) Pentru suprafaţa de schimb de căldură:- se dau Q, ti, -cu ( ti, ) -METODA ITERATIVĂ = două iteraţiSe presupune o valoare , şi Se determină:

Dacă cu mai mult de un grad se reia calculul pentru o nouă valoare Se determină te pentru :

i pic'et e

pec''

''

peg

ipigi

e cVBQ

tcVt

'''ee tt

'''ee tt

pec"

"peg

ipigi

e cVBQ

tcVt

34

2.6.Controlul arderii. Triunghiul OSTWALD

Controlul procesului de ardere se face pentru a determina:

- măsura în care arderea este completă- valoarea excesului de aer

In gazele de ardere segasesc: - ardere completa: CO2; SO2; N2

- ardere incompletă: CO; H2; CH4

Analiza gaelor de ardere :- cu analizatoare : chimice- ” electrice condiţia unei arderi complete OHCO 2

35

Diagrama OSTWALD- se construieşte pentru fiecare tip de combustibilAC= dreapta arderii complete: CO= 0AB= dreapta arderii fără exces de aer:

36

Determinarea poziţiei unui punct M în diagrama OSTWALD:Măsor concetraţia de CO2 şi O2 din gazele de ardere;Citesc în diagramă , CO

Poziţia punctului M:

a) ardere incompletă

b) ardere completă CO=0

c) ardere fără exces de aer

d) ARDERE PERFECTĂ

e) neconcordanţă între datele analizei gazele de ardere

)(int eriorABCM

ACM

ABM

AM

AOCM

37

II. ASPECTUL FIZIC AL ARDERII COMBUSTIBILIOR

Ia în considerare:

-Factorii aerodinamici determină o anumită viteză de desfăşurare a reacţiilor;

-Factorii termici determină participarea anumitor fuxuri de căldură în diferitele etape ale arderii.

38

Aspecte:

1. Cinetica reacţiilor de ardere

2. Flacăra laminară3. Flacăra turbulentă4. Aprinderea5. Stabilizarea arderii

39

Procesul de ardere cuprinde următoarele fenomene fizice de baza:

- Aprinderea- Stabilizarea arderii- Desfăşurarea arderii în frontul de

flacără, care determină:* mărimea frontului de

flacără* forma frontului de flacără

40

Timpul total de ardere :

timpul fazei de omogenizare combustibil-aer - timpul fazei de realizare a procesului de ardere.Există trei tipuri de fenomene de ardere:

- ardere cinetică

- ardere difuzivă

- ardere cinetic-difuzivă

cf

fc

cfc

fcf

cfcf

41

Cinetica reacţiilor de ardereProcesul de ardere real: nu este

cel descris de reacţiile chimice de oxidare care marchează

numai starea iniţială şi finală a procesului

În reacţia chimică de ardere: are loc un proces foarte complex de reacţii în lanţ:

- prin care de la o moleculă combustibilă prin reacţii intermediare cu radicali activi (liberi) se obţine produsul final de ardere.

Radical activ (liber) este o moleculă instabilă, cu valenţe libere.

42

Începerea procesului de ardere:

a) Prin încălzirea locală a unui anumit volum din amestecul combustibil până la o temperatură de reacţie;

b) după care căldura degajată de reacţia locală foloseşte la amorsarea reacţiei în volumele înconjurătoare;

c) rezultă creşterea temperaturii care acelerează reacţiile de ardere = faza de aprindere.

d) in continuare, procesul de ardere se desfăşoară cu viteză constantă = viteza de ardere.

Obs. Viteza de ardere u este proporţională (nu egală) cu viteza

de reacţie (w).

43

Schema de ardere a unei molecule de :

a) Faza de iniţiere:

E- energie de activareOH*- radical activ (liber) de OH

b) Faza de continuare:

H*- radical liber H, cu energie foarte mare.

*222 OHOH E

** 22 HOHHOH

2H

44

c) Faza de ramificare a lanţului de reacţii:

Cei trei radicali liberi (doi de OH*si unul de H*) continuă fiecare reacţiile specice

***

***

2

2

HOHHO

OOHOH

45

d) Faza de întreruperea lanţului prin pierderea energiei libere: d1) pe o moleculă internă M de azot sau oxigen.

d2) pe un perete rece S:

Peretele transformă energia primită în căldură.Viteza de reacţiei w – variaţia în timp τ a concentraţiei de combustibil c:

22222222 43

21

21

21* OOHsauOOHMHOMOH

222

2222

2

43

21

21

21*

21*

OOH

sauOOHSHO

sauSHSH

ddc

w

46

RELAŢIA LUI ARHENIUSRELAŢIA LUI ARHENIUS evidenţiează importanţa:

a) factorilor de dozaj corect aer-combustibil, prin presiuni parţiale; b) rolul important al unei temperaturii ridicate în zona de reacţie a focarului:

unde: constantă de reacţie(de combustibil); concentraţia de combustibil; concentraţie de oxigenE- energia de activare specificăT- temperatura la care se desfaşoară procesul;e- 2,71R- constanta universală a gazelor;

s

molepcKw TR

E

cC ;0

00

0Kcc0p

47

Exemplu:

Dacă: semificţia relaţei lui Arhenius

;1;2

12

0

222

c

OHOH

Wc

Wc

c

c

48

În fazele de ardere există:a) factori care tind sa marească μ.b) factori care tind sa micşoreze μ.

Întreruperea reacţiei în lanţ se realizează:

- la peretele rece a focarului- la ciocnirea cu molecule inerte

49

FRONTUL DE FLACĂRĂ este:

1. Suprafaţa unde se desfăşoară reacţiile de ardere;

sau2. Suprafaţa luminoasă a zonei de ardere.

Clasificarea:Din punct de vedere cinetic:

Front de flacără laminar: - viteza laminară (normală) de ardere;

Front de flacără turbulent : - viteza turbulentă de ardere;

50

Frontul de flacără laminar din punct de vedere cinetic se poate propaga:

În amestec de combustibil în repaus:

51

În amestec de combustibil în curgere laminară:

AQcom 0Debitul de amestec al combustibilului:

A. suprafaţa frontului de flacără

este perpendicular pe frontul de flacără cu suprafaţa A

52

2. FLACĂRA LAMINARĂ a) Front de flacară laminară

53

Din ecuaţia de continuitate :

Relatia cosinusului:

Exprimă faptul că frontul de flacără se inclină cu un unghi faţă de viteză: = constant.

ASw tub 0

AAw

AS tub

0cos

cos

cos0 w

0cos w

54

b) Procesul în frontul de flacără.

Fig. 2 Evoluţia temperaturii in fontul de flacără

55

Notaţii:= temperatura iniţială a amestecului

combustibil= temperatura de aprindere= temperatura finală

- zona de încălzire a combustibilului. - zona de reacţie intensă.

0T

Tap

fT

fp xx

pxfx

56

VITEZA NORMALĂ DE ARDERE

Depinde de cinci factori:1-Natura combustibilului2- Dozajul combustibilului în amestec:

-volumul de combustibil -volumul amestecului

3-Temperatura iniţială a amestecului combustibil4-Presiunea iniţiala5-Conditiile gazodinamice: viteza,traiectorie6-Condiţii geometrice: formă, mărime orificiu de ieşire a amestecului combustibil.

0

am

comb

V

Ve .

.combVamV

57

3. FLACĂRA TURBULENTĂ.

58

Fig. 4. Frontul de flacără: a) laminară b) turbulentă

59

b) La arderea într-un curent turbulent:- au loc pulsaţii ale vitezei, care

reprezintă caracteristica curgerii turbulente. ; pulsaţia turbulentă a vitezei)0( fT

60

c) Factorii care produc creşterea

Intesitatea turbulenţei ( ):

- viteza medie pătratică fluctuantă - viteza medie a curentului de amestec combustibil.

2) Scala turbulenţei (l) reprezintă distanţa medie pe care particulele se mişcă în formă de cvazisolid în curgerea turbulentă.

T

w

w2

2w

w

61

3) Coeficientul de difuzie turbulentă :

- deplasarea medie datorită difuziei turbulente - viteza medie pătratică fluctuantăCoeficientul este o mărime care caracterizează procesul de amestecare datorită mişcării fluctuante a particulelor.

4) Acceleraţia produselor de ardere în frontul de flacără.- crează o turbulenţă de 2-3 ori mai mare decât turbulenţa iniţială.Viteza la un anumit moment dat =viteza medie+viteza fluctuantă

TD 22 wxDT 2x2w

T

62

4. APRINDEREA.

63

- diametru de aprindere - căldura la care are loc aprinderea ( Tap- temperatura de aprindere)

- pierderile de căldură pe conturul zonei de aprindere.

a) Proces stabil

b) Stingere flacără.

mmd 2min

RQ

RpR QdTQQ ;;:

PQ

RpR QdTQQ ;;:

64

Condiţiile de aprindere:

- relativ simple la viteze mici ale amestecului combustibil; -greu de realizat la viteze mari ale amestecului combustibil .

Tap = Temperatura de aprindere= temperatura minimă pe care trebuie s-o aibă un amestec combustibil pentru ca reacţia de ardere să aibă loc cu viteză crescătoare:

.0d

dQR

65

Condiţii fizice la limită pentru aprindere:

1) să compenseze

2) ; Creşterea creşterea

La creşterea temperaturii, sistemul sa fie stabil. - căldura degajată de reacţia de ardere. - pierderile de căldură pe conturul zonei de aprindere.

RpR QQQ ;pQ

dT

dQ

dT

dQ PR RQ pQ

RQ

PQ

66

Pentru realizarea aprinderii:

- este necesar ca V (volumul minim de aprindere) să fie încălzit – de la o sursă exterioară– până la Tap (temperatura de aprindere).

Energia minimă de aprindere:corespunde căldurii necesare încălzirii volumului sferei cu dmin de la T0 la Tap.

Variaţia energiei minime de aprindere cu dozajul :

.minap

ap

Q

Q

st

stap

ap fQ

Q

.min

67

Fig. 7. Variaţia energiei minime de aprindere cu dozajul.Energia minimă de aprindere cu un minim absolut: în vecinătatea punctului stoichiometric la: .95,0

st

68

5. STABILIZAREA ARDERII (= stabilizarea frontului de flacără)

a) Stabilizarea arderii înseamnă producerea unei aprinderi continue a amestecului combustibil şi implică următoarele:

1) Aprinderea se produce în flux: - asupra uni curent de amestec de combustibil pe un punct sau o

linie de contur.

2) Energia de aprindere : este suficientă pentru un domeniu de variaţie a : w- viteză

φ- dozajul

T- temperaturii. 3) Starea de stabilitate – este o funcţie bipoziţională cu stările: “aprins” “întrerupt”

69

b) Modele de stabilizare

1) Crearea într-un punct pe contur a unei viteze : w= viteza de curgere a amestecului combustibil;u= viteza de ardere.

În acest caz frontul de flacără se poate stabiliza, deoarece :

şi în continuare se va propaga în restul amestecului după LEGEA COSINUSULUI: cos0 wu

uw 0

70

1) crearea într-un punct pe contur a unei viteze :uw 0

u

limita

jetu

lui

Frontul de flacara

w0=uw0=u

w0

71

2. Furnizarea într-un punct sau pe contur a unei energii de aprindere dintr-o sursă exterioară

a) Scânteie permanentă b) Flacără pilot de aprindere.

72

c)Suprafaţa caldă de aprindere d) Gaze calde de aprindere

73

2) Furnizarea energiei de aprindere prin

recircularea gazelor de aprindere.

a)Recircularea de gaze de ardere b) Expandarea jetului într-un pe obstacole neaerodinamic focar cu dimensiuni mari.

74

Recirculare cu gaze de ardere- în zona centrala a jetului cu turbionare.

75

Va multumim pentru atentie !