Academia de Poliie Alexandru Ioan Cuza Facultatea de Pompieri

APARATE TERMICE C a z a n e

Conf. univ. dr. ing. MihaiConstantin Dianu

Bucureti, 2009

Cod CNCSIS 270 DIANU, MIHAI-CONSTANTIN Aparate termice: cazane / conf. univ. dr. Mihai-Constantin Dianu. Bucureti: Editura Ministerului Administraiei i Internelor, 2009 Bibliogr. ISBN 978-973-745-016-6 621.1

Redactare: Comisar-ef Torje Aurora Tehnoredactare: Agent ef principal Vnu Dumitru

Editura Ministerului Administraiei i Internelor

2009

3

CUPRINS

CAPITOLUL 1 CLASIFICAREA CAZANELOR............................................................5 1.1. Cazane cu circulaie natural...............................................................................6

1.1.1. Cazane ignitubulare cu circulaie natural..................................................7 1.1.2. Cazane cu evi de fum.................................................................................8 1.1.3. Cazane combinate cu tub de flacr i evi de fum ....................................9 1.1.4. Cazane cu volum mic de ap i evi drepte puin nclinate ......................11 1.1.5. Cazane cu evi cu nclinare mare (de radiaie)..........................................12

1.2. Cazane cu circulaie impus ..............................................................................14 1.2.1. Cazane cu strbatere forat ......................................................................15

1.2.1.1. Cazanul Vuia ....................................................................................16 1.2.1.2. Cazane de ap fierbinte (CAF).........................................................16

1.2.2. Cazane cu circulaie forat.......................................................................17

CAPITOLUL 2 COMBUSTIBILI ...................................................................................18 2.1. Caracteristicile combustibililor .........................................................................18

2.1.1. Caracteristici pentru combustibilii solizi ..................................................20 2.1.2. Caracteristici pentru combustibilii lichizi.................................................22 2.1.3. Caracteristici pentru combustibilii gazoi ................................................23

2.2. Arderea combustibililor.....................................................................................24 2.2.1. Arderea combustibililor solizi i lichizi....................................................26

2.2.1.1. Arderea perfect a carbonului ..........................................................26 2.2.1.2. Arderea imperfect a carbonului ......................................................27 2.2.1.3. Arderea sulfului................................................................................27 2.2.1.4. Arderea hidrogenului........................................................................27 2.2.1.5. Cantitatea teoretic de oxigen (O0) necesar arderii ........................28 2.2.1.6. Cantitatea teoretic de aer necesar arderii ......................................29 2.2.1.7. Cantitatea teoretic de gaze rezultat din ardere..............................29

2.2.1.7.1. Ardere perfect ........................................................................29 2.2.1.7.2. Ardere imperfect ....................................................................30

2.2.1.8. Cantitatea teoretic de gaze uscate...................................................30 2.2.2. Arderea combustibililor gazoi.................................................................30

2.2.2.1. Cantitatea teoretic de oxigen necesar arderii ................................32 2.2.2.2. Cantitatea teoretic de aer necesar arderii ......................................32 2.2.2.3. Cantitatea teoretic de gaze rezultate din ardere..............................32 2.2.2.4. Cantitatea teoretic de gaze uscate rezultate din ardere...................32

2.2.3. Coeficientul de exces de aer la arderea real ............................................33 2.2.3.1. Volumul real de gaze rezultat din ardere pentru combustibilii solizi

i lichizi ...........................................................................................34 2.2.3.2. Volumul real de gaze rezultat din arderea combustibililor gazoi...34 2.2.3.3. Coninutul de CO2 din gazele de ardere uscate ................................35

4

2.2.3.4. Calculul coeficientului de exces de aer cu ajutorul compoziiei gazelor de ardere..............................................................................36

2.2.3.4.1. Calculul coeficientului prin coninutul de CO2 din gaze............ 36 2.2.3.4.2. Calculul coeficientului prin coninutul de O2 din gaze .............. 37

2.2.4. Triunghiul arderii (Triunghiul lui Ostwald) .............................................38 2.2.5. Entalpia gazelor de ardere. Diagrama I g t.............................................40

CAPITOLUL 3 BILANUL INSTALAIEI DE CAZAN.............................................41

3.1. Pierderi de cldur prin gazele evacuate la co (q2)..........................................42 3.2. Pierderi de cldur prin ardere incomplet din punct de vedere chimic (q3) ............ 42 3.3. Pierderi de cldur prin ardere incomplet mecanic (q4) ..................................43 3.4. Pierderi de cldur prin pereii cazanului ctre mediul ambiant (q5)................45 3.5. Pierderi de cldur prin evacuarea zgurii i cenuii din focar (q6)....................46 3.6. Bilanul analitic al cazanului .............................................................................46 3.7. Bilanurile pariale ale suprafeelor de schimb de cldur ................................49

3.7.1. Bilanul termic la supranclzitor..............................................................51 3.7.2. Bilanul termic la economizor...................................................................51 3.7.3. Bilanul termic la prenclzitorul de aer ...................................................51

3.8. Randamentul indirect al cazanului ....................................................................52 3.9. Consumul de combustibil..................................................................................52

CAPITOLUL 4 FOCARE ................................................................................................53

4.1. Clasificarea focarelor ........................................................................................53 4.2. Indicii de caracterizare a focarelor ....................................................................54 4.3. Focare cu grtar .................................................................................................55

4.3.1. Focare cu ardere n strat linitit.................................................................55 4.3.2. Focare cu rscolire slab...........................................................................56 4.3.3. Focare cu rscolire puternic ....................................................................57

4.4. Focare cu arztoare............................................................................................58 4.4.1. Focare pentru arderea crbunelui pulverizat.............................................59 4.4.2. Focare pentru combustibil lichid sau gazos..............................................62

4.4.2.1. Focarul tunel ngust..........................................................................62 4.4.2.2. Focarul tunel larg .............................................................................62 4.4.2.3. Focarul ciclon...................................................................................63

CAPITOLUL 5 ARZTOARE........................................................................................64

5.1. Arztoare pentru crbune pulverizat .................................................................64 5.2. Arztoare pentru combustibil lichid ..................................................................66 5.3. Arztoare pentru combustibil gazos ..................................................................69 5.4. Arztoare combinate..........................................................................................70

CAPITOLUL 6 AVARII LA CAZANE ..........................................................................71 BIBLIOGRAFIE .................................................................................................................73

5

CAPITOLUL 1

CLASIFICAREA CAZANELOR Cazanul este un aparat termic destinat producerii de ap cald, abur saturat

sau supranclzit. El este constituit dintr-o niruire de schimbtoare de cldur n sensul de curgere a apei avnd nivele termice, din ce n ce mai ridicate. Agentul primar (cel care cedeaz cldura) este reprezentat de gazele generate de arderea unui combustibil sau rezultate ca produs secundar dintr-un proces tehnologic.

Exist dou criterii mari de clasificare a cazanelor: n funcie de modul de circulaie a apei; dup principiul constructiv al sistemului fierbtor. Astfel, avem: A. Cazane cu circulaie natural n care apa i emulsia ap-abur se

vehiculeaz n agregat pe baza diferenei de densitate. Constructiv, din aceast categorie fac parte:

Cazanele cu volum mare de ap subdivizate n: cazane ignitubulare (cu tub de flacr) mono-, bi- sau tritubulare; cazane cu evi de fum; cazane combinate (cu tub de flacr i evi de fum).

Cazane cu volum mic de ap (cu evi de ap) subdivizate n: cazane cu evi drepte puin nclinate; cazane cu evi cu nclinare mare (numite i de radiaie).

B. Cazane cu circulaie impus la care circulaia apei este activat prin pompare: Subdiviziuni:

cazane cu circulaie forat multipl; cazane cu strbatere forat.

Sintetic, aceast clasificare este redat n schema de mai jos:

ignitubulare cu evi de fum combinate

cu volum mare de ap

Cu circulaie natural

Cazane

cu volum mic de ap (acvatubulare)

cu evi drepte puin nclinate

cu evi cu nclinaie mare (de radiaie)

Cu circulaie impus cu circulaie forat multipl

cu strbatere forat

6

n funcie de destinaie, cazanele se submpart n: cazane pentru nclzire cu sau fr furnizare de ap cald menajer

utilizabile local; cazane pentru centrale termice (CT) mici care produc ap cald, fierbinte

(t115C) sau abur saturat de joas presiune (JP); cazane pentru centrale termice medii furniznd ap fierbinte, abur saturat de

presiune joas sau medie, eventual cu o uoar supranclzire; cazane pentru centrale termice mari (CT) mari sau centrale electrice de

termoficare (CET) furniznd abur de nalt presiune (IP) mult supranclzit; cazane pentru destinaii speciale (navale, recuperatoare etc.).

1.1. Cazane cu circulaie natural

Aa cum s-a artat, circulaia apei n cazan poate fi natural sau impus. Prima categorie cuprinde cazane la care antrenarea apei se face pe baza diferenei de densitate (ca o consecin a nclzirii, diferite a masei de ap supuse vaporizrii).

Fig. 1.1. Schema circulaiei naturale

1. Tambur cazan 2. evi cobortoare din exteriorul cazanului 3. Colector inferior 4. evi urctoare n interiorul cazanului

n evile de urcare, densitatea amestecului ap-abur u este mai mic dect

densitatea apei n evile cobortoare c (n exterior). Datorit acestei diferene se creeaz o presiune de circulaie:

P=H(c-u)g (1.1.) Circulaia natural poate lua natere n evile sistemului fierbtor sau n masa

lichidului supus vaporizrii (la cazanele ignitubulare).

7

Cazanele cu circulaie natural se construiesc pentru debite de abur foarte mari, nefiind teoretic supuse unei limite din acest punct de vedere.

Presiunea la care funcioneaz este ns limitat i este condiionat de punctul critic la care densitatea aburului i a apei devin aproximativ egale, iar circulaia natural peste aceti parametri devine imposibil. Se poate afirma c sub valorile punctului critic, dar n apropierea acestuia, diferena de densitate ntre ap i abur este prea mic pentru a asigura o vitez de circulaie suficient de mare.

Din aceast cauz apar probleme de rcire a peretelui evii care poate s se distrug din cauza solicitrilor termice i mecanice. Acest tip de cazane se limiteaz constructiv pn la presiunea maxim de 180 bar.

1.1.1. Cazane ignitubulare cu circulaie natural Cazanele ignitubulare sunt instalaii de produs abur saturat sau supranclzit,

alctuite dintr-un corp vaporizator cilindric orizontal cu diametrul uzual (1.5002.800 mm) strbtut longitudinal de unul (Cornwall), dou (cazan Lancashire) sau trei (cazan Fairbairn) tuburi de flacr (cca 700800 mm), care leag ntre ele cele dou funduri ale corpului cilindric.

Corpul se execut din tabl de oel sudat, iar tubul de flacr din tabl ondulat.

Fig. 1.2. Circulaia natural a apei la cazanul cu dou tuburi de flacr

Fig. 1.3. Cazan cu volum mare de ap cu tub de

flacr

8

La cazanele cu un singur tub de flacr, acesta se monteaz excentric fa de cilindrul de presiune (tambur) n scopul activrii circulaiei de ap n cazan. Aburul saturat este colectat fie ntr-un dom colector separator de abur, fie printr-un separator de picturi format dintr-o conduct scurt perforat.

Scderea nivelului apei sub limita de siguran (linie ntrerupt) conduce la lipsa de rcire a tubului de flacr pe o anumit zon ceea ce provoac tensiuni termice i distrugerea acestuia.

Titlul aburului (x) n tambur este de 0.930.95

+=+= )()(

lichidvaporimasvaporimas

mmm

xv

v

i justific utilizarea separatorului de picturi n vederea obinerii unui abur mai uscat. n spaiul de ap din tambur circulaia se realizeaz natural pe baza diferenei de densitate.

Tubul de flacr se execut din tabl de oel ondulat din dou motive: ondularea mrete suprafaa de schimb de cldur cu cca 15% i d, de asemenea, posibilitatea de a se prelua efortul de dilatare axial inegal fa de tambur.

Aceste tipuri de cazane sunt echipate uneori cu supranclzitor de abur i prenclzitor de ap amplasate n canalele de gaze.

Circulaia apei n cazanele ignitubulare este lent i neuniform n lungul mantalei i a tuburilor de flacr. Aceast neuniformitate se datoreaz vaporizrii mai puin intense a apei deasupra tuburilor de flacr n zonele opuse focarului. Circulaia deficitar face ca straturile inferioare de ap din tambur s rmn mai seci dect cele superioare chiar la sarcin nominal. Desigur, la sarcini mai reduse aceast diferen de nclzire se accentueaz.

Avantajele cazanelor ignitubulare constau n: construcie simpl; capacitate mare de acumulare a cldurii; exploatare, curire i separare uoar; sensibilitate redus fa de calitatea apei de alimentare.

Dezavantajele sunt:

Suprafa construit i greutate mare pentru un debit dat; Durata mare de pornire (58 ore); Circulaie nceat, presiune nominal joas i randament redus.

1.1.2. Cazane cu evi de fum Aceste cazane sunt constituite dintr-un corp vaporizator cilindric (tambur)

similar cu al cazanelor ignitubulare, ntre care se fixeaz prin mandrinare evi pentru trecerea gazelor de ardere (evi de fum).

evile care au diametrul ntre 50100 mm constituie suprafaa de nclzire i se afl n ntregime acoperite de ap.

Presiunea nominal maxim ajunge la aceste tipuri de cazane pn la 20 bar.

9

Fig. 1.4. Cazan de abur cu evi de fum

recuperator 1 corp; 2 plac tubular; 3 eav de fum; 4 tirant; 5 focar; 6 arztor; 7 nzidire; 8 camer; 9 ventilator; 10 intrare gaze; 11 ieire gaze;

n general, aceste cazane au un rol de recuperator pentru valorificarea unei

pri din cldura gazelor de ardere evacuate dintr-un motor cu ardere intern sau dintr-un cuptor industrial.

Cazanele cu evi de fum recuperatoare sunt nzestrate uneori cu focar dotat cu un arztor de gaze sau cu un injector de pcur pentru pornire i eventual pentru compensarea variaiilor de sarcin ale instalaiei primare cu care este cuplat cazanul.

Avantajele constau n capacitatea mare de acumulare a cldurii i mrirea suprafeei de schimb de cldur (prin evile de fum) comparativ cu cazanele ignitubulare.

Dezavantajele sunt aceleai ca la cazanul ignitubular la care se adaug nefolosirea transmiterii de cldur prin radiaie i dificultatea currii de piatr la exteriorul evilor de fum.

1.1.3. Cazane combinate cu tub de flacr i evi de fum Sistemul fierbtor al acestor tipuri de cazane cuprinde unul sau mai multe

tuburi focar i evi de fum.

Fig. 1.5. Cazan cu tub focar i evi de fum

1 corp; 2 dom; 3 tub focar; 4 grtar; 5 plac tubular; 6 evi de fum; 7 camer de fum; 8 supranclzitor; 9 supap siguran; 10 izolaie termic.

10

Este caracteristic limitarea lungimii tubului de flacr la lungimea strict a flcrii i continuarea sa cu un sistem de evi schimbtoare de cldur (evi de fum) care majoreaz substanial suprafaa de schimb de cldur, avnd diametre cuprinse ntre 4590 mm si o grosime de 34 mm. Pentru intensificarea schimbului de cldur, soluiile moderne prevd n interiorul evilor de fum sisteme de rotire a gazelor de ardere. Cazanul poate avea pn la trei drumuri de gaze de ardere. Cazanul prezentat n figura anterioar este prevzut cu un singur drum de gaze. El este construit dintr-o manta cilindric orizontal nchis cu dou capace plane, avnd n interior un tronson de tub de flacr unde se produce arderea. Gazele trec prin fascicolul de evi spre camera de fum de unde sunt evacuate ctre co.

Tubul focar este echipat fie cu un grtar plan (cazul de fa), fie cu un arztor de pcur sau gaze. Ansamblul tubului focar mpreun cu evile de fum poate fi scos din manta n vederea curirii de piatr.

Dac se prevd trei drumuri de gaze incluznd tubul de flacr, acesta are lungimea egal cu a fascicolelor convective i cu lungimea cazanului.

Fig. 1.6. Cazan cu volum mare de ap, cu trei drumuri 1 tub de flacr; 2 fascicol convectiv

Cazanele prezentate pn aici au drept caracteristic volumul mare de ap

coninut. Aceast particularitate conduce la o serie de avantaje i dezavantaje. Avantaje:

cantitatea mare de ap n stare de saturaie conduce la o mare inerie termic datorat capacitii ridicate de stocare a cldurii. Consecina imediat rezult

11

a fi preluarea variaiilor de sarcin (debit) relativ uor respectiv, fr oscilaii semnificative ale presiunii de furnizare a aburului (presiunea din tambur);

sensibilitate redus la calitatea apei de alimentare. Dezavantaje: pornirea n timp ndelungat i durat lung de trecere de la o sarcin la alta

(de exemplu, de la o sarcin minim la cea nominal durata este de 30 minute). Cazanele cu volum mare de ap se utilizeaz pentru consumatori de debite

reduse cu fluctuaii mici i rapide de sarcin i care nu pot asigura o calitate deosebit a apei de alimentare.

1.1.4. Cazane cu volum mic de ap i evi drepte puin nclinate La acest tip de cazane, apa circul natural (pe baza diferenei de densitate)

prin fascicole de evi drepte racordate la camerele de ap. n acest fel, suprafaa de schimb de cldur se mrete simitor fa de

cazanele cu tambur (corp cilindric vaporizator). nclinarea evilor fa de orizontal este de 10 15.

Fig. 1.7. Cazan cu camere secionale i tambur longitudinal 1 tambur; 2 fascicul fierbtor; 3 camere secionale; 4 evi de urcare;

5 evi de coborre; 6 colector/usctor abur; 7 cap de alimentare; 8 supap siguran; 9 supranclzitor; 10 economizor; 11 prenclzitor de aer; 12 focar;

13 grtar; 14 ventilator; 15 nzidire; 16 clap de reglare; 17 canal de ocolire;

12

n figur se poate vedea c sistemul fierbtor cuprinde un tambur orizontal cu rol de distribuitor central de ap i de colector, separator de abur i camerele de ap secionale ntre care se fixeaz evile fierbtoare.

Camerele de ap sunt denumite secionale deoarece fiecare este legat numai la o eav fierbtoare. Fiecare camer de ap (de seciune rectangular) este legat de tambur printr-o eav de urcare i respectiv una de coborre. Racordarea acestor evi de legtur la tambur se face dup direcii radiale. Se formeaz astfel un numr mare de circuite alturate pentru circulaia apei, comunicante fiind numai prin tambur. La cazanul cu tambur longitudinal, numrul de camere secionale este limitat la ** pentru a se crea posibilitatea de racordare la tambur.

Focarul este, n general, de tip inferior, cu grtar. Supranclzitorul, cnd exist, se monteaz de obicei cu serpentinele orizontale suspendate ntre primul i al doilea drum de gaze.

La acest tip de cazan se poate mri suprafaa de nclzire a sistemului fierbtor prin ecranarea focarului cu evi integrate n circuitul de vaporizare. Ecranarea poate fi complet sau parial.

Fig. 1.8. Ecrane etane: a) cu lamele sudate pe evi; b) cu evi cu aripioare sudate ntre ele.

1.1.5. Cazane cu evi cu nclinare mare (de radiaie) Acest tip de cazan conine mari suprafee de radiaie amplasate n focar.

Dispoziia vertical a evilor sistemului vaporizator conduce la mbuntirea siguranei circulaiei naturale. Camerele de ap existente la cazanul anterior sunt nlocuite cu un sistem de colectoare la care sunt racordate pachete de evi. evile montate n focar, amplasate numai pe pereii laterali (evi ecran) au un diametru de 5070 mm. Acestea mbrac n ntregime faa interioar a pereilor focarului (inclusiv cea a plafonului i eventual a plniei de evacuare a zgurii). Racordarea evilor ecran se poate face fie sub nivelul de ap din tambur, fie deasupra acestuia prin colectoare superioare sau prin perechi de evi reunite.

13

Fig. 1.9. Tipuri de ecrane pentru cazane acvatubulare de radiaie a, b ecrane laterale; c ecran frontal i de spate;

1 distribuitor; 2 eav fierbtoare; 3 eav de uscare; 4 colector superior; 5 tambur colector separator; 6 eav de coborre.

Fig. 1.10. Cazan de radiaie

14

n figur, evile de urcare aflate sub influena radiaiei flcrii sunt figurate cu linie continu, iar cele din exteriorul zidriei (evi de coborre) sunt figurate punctat. n general, acest tip de cazane sunt utilizate la parametri nali (180 bar, 450C) n domeniul energetic i prezint urmtoarele avantaje:

construcie elastic ce permite compensarea dilatrilor; circulaie a apei (apabur) sigur pn la presiuni de regim foarte nalte; presiunile de lucru acoper toat gama utilizrilor de la presiuni mici

tehnologice, pn la presiuni nalte energetice; debitele la care se construiesc pot fi orict de mari; randamentele sunt ridicate (87% la combustibil lignit i 94% la

combustibil gazos) i se datoreaz utilizrii unor suprafee anexe (economizor, prenclzitor de aer) i reducerii pierderilor.

Dintre dezavantaje citm: nrutirea circulaiei la presiuni apropiate de cea critic (cnd densitatea

apei se apropie de cea a emulsiei ap-abur); nlimea mare a cazanului (necesar pentru obinerea diferenei de

presiune n cazul circulaiei naturale); construcie, montaj i ntreinere mai dificile dect la cazanele cu evi cu

nclinare mic. Lucrrile se pot simplifica prin folosirea pereilor membran;

sensibilitate mrit la calitatea apei de alimentare. Concentrarea srurilor n apa din evi este accentuat. Legat de acest aspect apare necesitatea unei instalaii anexe pentru tratarea apei de adaos;

ineria termic relativ mic datorat unui volum nu foarte mare de ap conduce la fluctuaii de presiune atunci cnd variaz sarcina. De aici, apare necesitatea unei automatizri sensibile la nivelul cazanului (reglare ardere, reglare debit de ap etc.).

1.2. Cazane cu circulaie impus

Spre deosebire de cazanele cu circulaie natural unde circulaia n sistemul fierbtor se realiza pe baza diferenei de densitate dintre fluidele coninute ntre cele dou ramuri ale circuitului, la cazanele cu circulaie impus deplasarea fluidelor se realizeaz prin pompare.

n acest caz, dispare necesitatea unui tambur i doar unele cazane dispun de un mic tambur separator de ap. O alt caracteristic o constituie poziionarea evilor care pot s nu mai fie verticale, ci au posibilitatea de a lua diferite forme n focar sau n drumurile de gaze.

Cazanele cu circulaie impus se submpart n cazane cu strbatere forat (sau cu circulaie forat unic) i cazane cu circulaie forat (sau cu circulaie multipl a apei).

15

Fig. 1.11. Schema instalaiei de cazan cu strbatere forat

Fig. 1.12. Schema instalaiei de cazan

cu circulaie forat

1.2.1. Cazane cu strbatere forat

Acest tip de cazane solicit o bun calitate a apei (cu att mai bun cu ct parametrii de funcionare sunt mai nali).

Fig. 1.13. Cazan Vuia cu patru serpentine

1 tub focar; 2 serpentin; 3 manta; 4 capac inferior; 5 capac superior; 6 colector gaze de ardere; 7 bujie; 8 ican; 9 injector; 10 admisie ap de alimentare; 11 ieire abur; 12 intrare aer; 13 intrare combustibil; 14 ieire gaze.

Fig. 1.14. Cazan La Mont 1 tambur colector; 2 conduct de aspiraie a pompei de recirculare; 3 pompe de reciclare; 4 ventil de reinere; 5 robinet; 6 ecran fierbtor; 7 serpentin fierbtoare; 8 eav urcare; 9 supranclzitor; 10 regulator temperatur; 11 robinet abur; 12 pomp alimentare.

16

Reducerea masei metalice i a cantitii de ap coninute conduce la reducerea ineriei termice i deci la un comportament neadecvat la variaiile de sarcin. La solicitarea unui debit crescut de abur, presiunea devine mai sczut dect cea necesar utilizatorului.

1.2.1.1. Cazanul Vuia Un reprezentant tipic al cazanelor cu strbatere forat este cazanul Vuia (fig.

1.13.). Suprafaa de nclzire este compus din serpentine legate n serie i coaxiale cu un tub focar central.

Corpul metalic al cazanului care este confecionat din tabl termorezistent are form cilindric i este nchis cu dou capace la extremiti. Canalele de gaze au seciune inelar i sunt conturate de icane cilindrice de tabl (coaxiale cu tubul central). Ele sunt fixate alternat prin mbinri demontabile sau sudur la capacul superior i inferior al cazanului. n centrul capacului superior este montat o bujie pentru aprinderea combustibilului la pornire.

Avantajele cazanului Vuia:

construcie simpl; reparaii (pentru nlocuirea unor serpentine) foarte uor de realizat; pornire rapid (cteva minute); inerie termic mic; randament mare (95%); productivitate foarte mare (30 kg abur/m2h); gabarit redus.

Dezavantaje:

debit relativ redus; necesit o bun automatizare; necesit combustibil de bun calitate.

Cazanul se utilizeaz n general pentru producerea aburului saturat de 1,2100 bar i uneori pentru producerea apei fierbini de nclzire a centrelor urbane sau pentru necesiti navale.

1.2.1.2. Cazane de ap fierbinte (CAF) Aceste cazane produc ap cald (sub 100C) sau fierbinte (peste 100C) i

funcioneaz pe principiul strbaterii forate. Pentru scopuri de termoficare ele primesc ap la o temperatur de 6075C i o nclzesc pn la 150170C presiunea depinznd de natura reelei i are valori medii de 1525 bar.

n funcie de puterea termic, CAF-urile se mpart n trei categorii: putere termic redus (sub 6 MW); putere termic mare (ntre 612 MW); putere termic ridicat (peste 12 MW).

CAF-urile peste 10 MW sunt construite n varianta turin. Arderea se face cu aer rece i cu suprapresiune fapt care permite evacuarea gazelor de ardere fr ventilator.

17

1.2.2. Cazane cu circulaie forat Schema de principiu expus n fig. 1.12. ne arat c fa de cazanele cu

strbatere forat apare un element constructiv nou i anume tamburul separator. Deoarece n sistemul fierbtor nu se produce abur, ci o emulsie ap-abur (1015% abur) aceasta se separ la nivelul tamburului n ap i abur saturat.

Astfel, din exterior pompa de alimentare aduce n tambur un debit D. Din tambur pompa de circulaie vehiculeaz prin sistemul fierbtor un debit 10D care este introdus n tambur separndu-se n 9Dap+1Dabur. Acest abur rezultat fie este trimis la utilizator n stare de saturaie, fie ptrunde n supranclzitor i este livrat la consumator sub form supranclzit. Cantitatea de ap 9Dap reintr n circulaia pompei. n tambur, srurile provenite din apa de alimentare i neantrenate cu aburul produs se acumuleaz, concentrndu-se treptat n ap. Problema se rezolv prin purjarea cazanului, adic prin ndeprtarea periodic a unei cantiti reduse de ap din tambur. Acest fapt protejeaz cazanul contra depunerilor de sruri i permite utilizarea unei ape mai puin tratate dect n cazul cazanelor cu strbatere forat.

Fa de cazanele cu circulaie natural cele cu circulaie forat prezint urmtoarele avantaje:

posibilitatea de adaptare la sarcini variabile prin meninerea circulaiei cu ajutorul pompei (de circulaie) la sarcini sczute;

posibilitatea realizrii unei circulaii sigure la presiuni de regim apropiate de cea critic;

la debit egal cu cel al unui cazan cu circulaie natural, nlimea este mai mic datorit posibilitii de amplasare compact a evilor fierbtoare;

timp de punere n funciune mai scurt. Dezavantajele circulaiei forate sunt: consum suplimentar de energie pentru acionarea pompei de circulaie; dificulti de aspiraie pentru pompa de circulaie la scderea brusc a presiunii; acces mai dificil la controlul i schimbarea evilor schimbtoare. Cazanul La Mont artat n fig.1.14. este un cazan cu circulaie multipl a apei.

Diametrul exterior al evilor este de 3238 mm, iar principalul dezavantaj const n repartiia neuniform a debitului de ap pe aceste evi. Pentru uniformizarea acestuia se monteaz pe fiecare eav ajutaje de laminare sau diafragme care prin rezistena lor

hidraulic egalizeaz n fapt pierderile de presiune.

Fig. 1.15. Ajutaje de reglare la distribuitoarele La Mont

1 distribuitor; 2 eav fierbtoare; 3 ajutaj; 4 pies tubular gurit

Dimensionarea acestor ajutaje se face astfel nct suma cderilor de presiune din ajutaj i din eav (evile au lungimi diferite i deci rezistene hidraulice diferite) s rmn constant la toate evile.

n acest fel se obine o curgere stabil a amestecului ap-abur prin toate evile fierbtoare.

18

CAPITOLUL II

COMBUSTIBILI

Definiie: Combustibilii sunt substane n general de natur organic ce au proprietatea de a arde i sunt folosii pentru necesiti industriale sau casnice.

Pentru ca o substan s poat fi utilizat drept combustibil, trebuie s ndeplineasc mai multe condiii:

s se poat combina cu oxigenul din aer avnd o reacie exotermic cu o vitez suficient de mare pentru a da temperaturi de ardere nalte;

aprinderea i arderea s nu prezinte dificulti sau s necesite instalaii prea costisitoare;

s fie ieftin, s se obin uor din natur i n cantiti suficiente; s nu aib o alt ntrebuinare mai util economic; s nu produc prin ardere compui vtmtori. Dup starea de agregare, combustibilii pot fi solizi, lichizi sau gazoi. Dac

provin din natur se numesc combustibili naturali, iar dac se obin prin transformarea unor substane din natur se numesc artificiali.

Tabel 2.1. Principalii combustibili naturali i artificiali Stare de agregare Obinere

Solizi Lichizi Gazoi Din natur Lemn, turb, lignit, crbune brun,

huil, antracit, isturi bituminoase iei Gaze naturale, gaze de

sond, gaze uscate (srace) Artificiali Brichete de crbuni, semicocs,

rumegu, coji de semine, paie etc. Petrol,

motorin, pcur

Gaz de ap, gaze de furnal, gaze de cocserie, gaze de

gazogen, GPL.

2.1. Caracteristicile combustibililor

Compoziia chimic se refer la elementele care intr n componena

combustibililor. n general, elementele acestea sunt aceleai pentru toi combustibilii i se

mpart n elemente combustibile (C, H, S) i elemente necombustibile (N, O, A cenu, W umiditate). Elementele combustibile se gsesc n general sub form de combinaii (CO, CH4 etc.). Cenua (A) i umiditatea (W) formeaz aa-numitul balast al combustibilului.

Precizarea compoziiei chimice se face cu ajutorul analizei elementare, care reprezint procentele n greutate ale componentelor din masa combustibilului solid (sau lichid).

C+H+O+S+N+W+A=100 [%] (2.1.)

19

Pentru combustibilii gazoi, analiza elementar indic participaia volumic a hidrocarburilor componente.

Puterea caloric reprezint cantitatea de cldur degajat prin arderea complet a unui kilogram de combustibil solid sau lichid sau a unui metru cub normal de combustibil gazos.

NB. Un metru cub normal de gaz (notat m3N) reprezint un metru cub de gaz la temperatura de 20C i presiunea de 760 mmHg. Precizarea trebuie fcut deoarece cantitatea de gaz dintr-un volum dat este puternic influenat de presiunea i temperatura la care se gsete gazul respectiv. Unitatea de msur a puterii calorice este [J/kg] sau [J/m3N].

n funcie de starea de agregare n care se gsete apa n combustibilul respectiv, distingem:

putere caloric inferioar (notat uzual cu Hi sau Qi). n aceast situaie, apa din combustibil la 20C se gsete n stare de vapori. Astfel, o parte din cldura degajat prin arderea combustibilului s-a utilizat pentru vaporizarea apei.

putere caloric superioar (notat uzual cu Hs sau Qs). n acest caz, apa din combustibil se gsete sub form lichid.

Tabel 2.2. Puteri calorice inferioare ale unor combustibili

Tipul combustibilului Puterea caloric

Turb Lignit Crbune brun Huil Antracit Cocs Pcur Motorin Gaze naturale Gaze de sond

8.200 14.350 kj/kg 8.000 16.800 kj/kg 1.700 24.500 kj/kg 23.850 28.600 kj/kg 28.000 31.600 kj/kg 24.800 27.000 kj/kg 32.500 41.800 kj/kg 41.500 45.000 kj/kg 34.000 kj/mN 21.000 41.500 kj/mN

Deoarece puterile calorice ale combustibililor variaz n limite destul de largi

s-a introdus noiunea de combustibil convenional. Acesta este un combustibil etalon, fictiv care are puterea caloric de 29.300 KJ/kg sau KJ/m3N. [7.000 Kcal/kg]

Cantitatea de combustibil convenional (Gc.c.) corespunztoare unei cantiti dintr-un combustibil oarecare se determin astfel:

[ ]3.. ;29300 Nicc mkgQGG = (2.2.)

unde: G greutatea sau volumul combustibilului care se echivaleaz cu cel

convenional [kg sau m3N].

20

2.1.1. Caracteristici pentru combustibilii solizi

a) Coninutul de materii volatile este constituit din gazele degajate din crbune cnd este nclzit; n materiile volatile neincluzndu-se i vaporii de ap rezultai din aceast nclzire. Coninutul de materii volatile are o mare influen asupra procesului de ardere. Cu ct acesta este mai mare cu att crbunele se aprinde mai uor, la o temperatur mai mic, arderea decurge mai repede, flacra este mai lung i cu o luminozitate mai intens.

Coninutul de materii volatile depinde de vrsta combustibilului. Crbunele mai tnr conine mai multe materii volatile dect cel btrn (turba are 70%, iar antracitul numai 1520%).

b) Coninutul de umiditate (W) exprim cantitatea de ap coninut n combustibil. Se compune din:

umiditatea de mbibaie provenind din apa amestecat mecanic cu crbunele i care poate fi eliminat prin uscare n aer liber pn la greutate constant sau n etuv, la temperatura maxim de 45C;

umiditatea higroscopic coninut n structura crbunelui i a masei minerale. Se poate elimina prin nclzire la 105C dup ce s-a ndeprtat umiditatea de mbibaie.

Umiditatea combustibililor creeaz probleme dificile la: descrcarea crbunilor ngheai din vagoane, n timpul iernii; ngreuneaz mcinarea crbunilor; ncetinete procesul de ardere; pentru vaporizarea apei coninute n combustibil se consum o

cantitate de cldur latent, afectnd puterea caloric a crbunelui. c) Coninutul de cocs (K) reprezint partea din crbune care rmne n procesul

de ardere dup degajarea materiilor volatile i a vaporilor de ap. Cocsul are dou componente:

Carbon fix reprezint cota parte din cocs care rmne dup dispariia umiditii, a volatilelor i a cenuii;

Coninutul de cenu (A) reprezint masa mineral rmas dup arderea combustibilului solid sau lichid. Cantitatea mare de cenu a combustibilului scade valoarea energetic a crbunelui, ngreuneaz arderea, iar evacuarea cenuii din cazan contribuie la scderea randamentului acestuia.

Tabel 2.3. Coninutul de cenu a unor combustibili

Felul combustibilului Coninutul de cenu [%]

Lemn uscat la aer Turb uscat la aer Lignit de Valea Jiului Crbune brun de Valea Jiului Huil i mixte Lignit de Oltenia isturi bituminoase

aproximativ 0,4 aproximativ 4,5 6 29 4 36 46 52 40 55 75 80

21

Componentele cenuii (SiO2, CaO, Fe2O3, Al2O3, MgO, FeO, carbonai, pirite) se topesc la temperaturi diferite i, n funcie de ponderea uneia sau alteia din componente n amestec, rezult temperatura de topire a cenuii.

Aceasta are o importan deosebit n cazul arderii combustibililor n cazane, deoarece cenua topit prin solidificare se transform ntr-o substan dur de consisten sticloas care se depune pe suprafeele schimbtoare de cldur i nrutete transferul termic, precum i evacuarea gazelor ctre exterior. Substana se numete zgur.

d) Coninutul de sulf (S) reprezint cantitatea de sulf coninut n crbune,

care se prezint sub form de sulfuri i sulfai. Prima substan arde rezultnd n gazele de ardere bioxidul i trioxidul de sulf (SO2, SO3). A doua component (sulfaii) sunt incombustibili i se regsesc n cenua evacuat.

Componentele gazoase aprute (SO2, SO3) se combin cu apa condensat din gazele de ardere rezultnd acid sulfuric (H2SO4) care corodeaz suprafeele metalice finale ale cazanului. Condensarea vaporilor de ap se produce la ieirea gazelor din cazan acolo unde temperatura este mai sczut (temperatura de rou acid).

Fig. 2.1. Reprezentarea schematic a analizei imediate a combustibililor solizi

e) Granulaia este o caracteristic a crbunelui care urmeaz a fi ars i arat

intervalul n care se pot afla dimensiunile particulelor de combustibil. f) Unghiul taluzului natural reprezint unghiul pe care l face panta cea

mai nclinat a stivei de crbune aruncat n mod natural, pe un plan orizontal. Dup mrimea granulaiei i sortimentului de crbune, acest unghi variaz ntre 3245 i are o importan deosebit pentru stivuirea i manipularea acestuia pe benzile transportoare, precum i pentru alunecarea n interiorul buncrului de crbune brut.

g) Exfolierea exprim proprietatea crbunelui de a se frmia datorit uscrii

n depozit. Este important n calcularea duratei maxime de stocare a crbunilor.

22

h) Autoaprinderea reprezint proprietatea crbunelui de a se aprinde n depozit fr existena unei surse exterioare de energie. Cauza autoaprinderii o constituie fixarea oxigenului din aer de ctre crbune. Ca urmare a acestui fenomen, temperatura n interiorul haldei de crbune crete treptat i acesta se autoaprinde. Apar, astfel, n interiorul stivei, zone cu crbune degradat prin ardere, care nu mai posed puterea caloric iniial. Pentru urmrirea temperaturii n interiorul stivei de crbune se introduc periodic termometre, iar atunci cnd aceasta depete o anumit limit se iau msuri adecvate.

2.1.2. Caracteristici pentru combustibilii lichizi a) Vscozitatea reprezint rezistena pe care o opune un lichid la deplasarea

particulelor sale, n timpul curgerii. Unitatea de msur tehnic pentru determinarea vscozitii este gradul Engler [E] reprezentnd raportul ntre timpul de scurgere a 200 cm3 de lichid vscos (combustibil) nclzit la o anumit temperatur i timpul de scurgere a unei cantiti egale de ap distilat la 20C printr-un orificiu calibrat. Vscozitatea se determin uzual la temperaturile de 20C sau 50C.

Cunoaterea vscozitii combustibililor lichizi este important pentru c: pulverizarea i arderea combustibilului se realizeaz n bune condiii cnd

vscozitatea se afl ntre 23,5E pentru pcura obinuit; puterea necesar pentru pomparea combustibilului este proporional cu

pierderea de sarcin pe conducte care la rndul ei este dependent de vscozitate.

b) Temperatura de congelare reprezint temperatura cea mai mare la care un combustibil lichid supus rcirii nceteaz de a mai curge. n mod concret, este vorba de temperatura la care o eprubet plin cu combustibil i nclinat la 45 nu-i schimb meniscul timp de un minut. Pcurile utilizate la noi au temperatura de congelare ntre 25C i 50C. Caracteristica de congelare este important pentru stocarea i transportul combustibilului.

c) Temperatura de inflamabilitate reprezint cea mai joas temperatur la

care vaporii degajai de un combustibil la presiune atmosferic nominal se aprind n prezena unei surse incandescente (flacr, scntei electrice sau mecanice). Cunoaterea temperaturii de inflamabilitate este important pentru transportul, depozitarea i procesul de ardere a combustibilului n focar. Pcurile romneti au punctul de inflamabilitate n jur de 90C.

d) Temperatura de autoaprindere reprezint temperatura cea mai sczut la care un amestec de vapori n aer se autoaprinde fr prezena unei surse incandescente.

N.B. temperatura de inflamabilitate nu trebuie confundat cu temperatura de aprindere. Prin temperatura de aprindere se nelege temperatura cea mai mic la care poate fi iniiat arderea unei substane n anumite condiii standard, ardere care trebuie s se continue i dup ndeprtarea sursei de aprindere.

23

e) Agresivitatea combustibilii de cazan nu trebuie s conin substane cu caracter acid pentru a nu se produce corodarea instalaiei de alimentare i a cazanului propriu-zis. Substanele n cauz sunt sulful i vanadiul. Dup coninutul de sulf, combustibilii se mpart n:

cu coninut redus Sc*) < 1% cu coninut mediu 1% < Sc < 2% cu coninut ridicat Sc > 2% *) Sc reprezint sulful combustibil ca sum ntre sulful organic i sulful din sulfuri. Combustibilul acid uor face parte din prima categorie. Limitarea coninutului

de sulf este necesar pentru evitarea atacrii suprafeelor metalice finale ale cazanelor de acidul sulfuric aprut ca urmare a hidrolizrii compuilor de sulf (SO2 i SO3).

De asemenea, probleme deosebit de neplcute creeaz pentaoxidul de vanadiu (V2O5) coninut n cenua din compoziia pcurii i care la temperaturi ale oelului peste 550620C genereaz compui care atac stratul protector al metalului. Combustibilii lichizi prezint avantaje fa de cei solizi n ceea ce privete transportul, depozitarea i arderea.

Cei mai utilizai sunt: pcura rezultat prin distilarea fracionat a ieiului dup apariia

hidrocarburilor uoare i care conine amestecuri de hidrocarburi grele. n vederea arderii se fluidific la 370420K i apoi se pulverizeaz n focar.

combustibilul de calorifer (combustibil lichid uor CLU) compus din pcur n amestec cu petrol sau motorin n proporii care s permit ca, la temperatura ambiant, s se obin o bun fluidizare, n vederea pulverizrii.

2.1.3. Caracteristici pentru combustibilii gazoi

Compoziia chimic a gazelor combustibile influeneaz arderea lor n focare,

precum i stabilitatea flcrii. n general, pentru ardere se folosesc combustibili naturali (gaz metan, gaz de sond) sau artificiali (gazul de furnal, de cocserie, de rafinrie).

Tabel 2.4. Compoziia chimic a unor combustibili gazoi

Compoziia volumetric % Felul combustibilului

gazos N2 CO CH4 C2H2 CO2 H2 O2

Densitatea n raport cu

aerul

Puterea caloric KJ/m3N

Gaz de furnal 4 28 0 0 8 60 0 0,97 3.950 Gaz de cocserie 50 8 29 4 2 7 0 0,41 18.520

Gaz metan 0 0 99,2 0 0 0,8 0 0,56 34.800

Combustibilii gazoi sunt lipsii total de cenu i aproape total de ap. Ei pot fi transportai foarte uor, ns dezavantajul const n imposibilitatea practic a stocrii acestora (n cantiti mari). Gazul natural, ca i gazul de sond, este compus

24

dintr-un amestec de hidrocarburi n care predomin metanul (CH4). Puterea caloric oscileaz ntre 30.00036.000 kJ/m3N.

Componentele care alctuiesc combustibilul gazos n participaii volumice sunt urmtoarele:

CO2+CO+H2+O2+H2S+CmHn+H2O=100% (2.3.)

2.2. Arderea combustibililor

Procesul de ardere este o reacie chimic nsoit de producere de cldur i

emisie de lumin prin care anumite elemente din componena combustibilului se combin cu oxigenul din aer. [Fiind vorba de ardere n interiorul unor aparate termice, arderea este controlat. Aceasta, spre deosebire de arderea necontrolat care definete incendiul]. Arderea este caracterizat prin dou fenomene diferite:

fenomenul chimic constnd n reacia compuilor combustibilului cu aerul de ardere;

fenomenul fizic reprezentat de ptrunderea aerului prin difuzie pn la combustibil.

n sensul celor artate mai sus, dac durata de timp necesar fenomenului chimic este mult mai lung dect cea solicitat de fenomenul fizic, arderea se numete cinetic. Invers, dac fenomenul fizic de difuzie dureaz mai mult dect cel chimic de ardere propriu-zis, arderea se desfoar n domeniul difuziv.

n primul caz, viteza de ardere crete mult cu temperatura. n a doua situaie, viteza de ardere este influenat puin de temperatur, ns crete substanial odat cu creterea vitezei aerului fa de particulele de combustibil. Din punct de vedere al fenomenului chimic, procesul de ardere poate fi perfect sau imperfect, ultima situaie caracteriznd arderea incomplet. Dac n urma arderii tot carbonul din combustibil se regsete n CO2, hidrogenul particip integral la obinerea apei, iar sulful se oxideaz rezultnd SO2, n gazele de ardere nu se mai gsesc elemente care s mai poat arde i arderea este considerat perfect.

Condiiile ca arderea s fie complet sunt: asigurarea unei cantiti suficiente de aer; asigurarea amestecrii omogene a combustibilului cu aerul. Dac cele dou condiii de mai sus nu sunt ndeplinite dect parial, carbonul

din combustibil nu se poate transforma prin ardere n totalitate n CO2, o parte rmnnd sub form de CO. Este posibil, de asemenea, ca i o parte din hidrogen sau metan (n cazul combustibililor gazoi) s rmn nears. Avem, n acest caz, de-a face cu o ardere imperfect.

Arderea combustibililor nu reprezint o reacie simpl de oxidare a carbonului, hidrogenului i sulfului. Ea constituie un fenomen mai complex att chimic, ct i fizic.

Din punct de vedere chimic apar produi de ardere ca urmare a unor reacii intermediare, iar ca fenomen fizic nainte de ardere combustibilul (solid) se usuc i i degaj materiile volatile coninute.

25

Aadar, etapele de ardere la combustibilul solid sunt: 9 Uscarea. Sub aciunea cldurii, umiditatea de mbibaie se elimin

rezultnd combustibilul uscat. Acest proces se realizeaz n focarul cazanului sau n exteriorul acestuia, n mori de mcinat crbune. Agentul nclzitor este constituit fie din gaze de ardere, fie din aerul prenclzit necesar arderii.

9 Degajarea materiilor volatile. Constituie un stadiu pregtitor pentru ardere i const n separarea din masa combustibilului a materiilor volatile.

9 Arderea materiilor volatile. Prin nclzirea combustibilului pn la temperatura de aprindere se produce arderea materiilor volatile. Aprinderea combustibilului solid nu se realizeaz n toat masa acestuia ncepnd cu cteva nuclee de aprindere.

9 Arderea carbonului. Se compune din mai multe stadii: difuzia oxigenului spre suprafaa crbunelui; absorbia oxigenului nsoit de combinarea carbonului din

combustibil cu oxigenul din aerul de ardere; arderea propriu-zis.

Combustibilii lichizi sunt pulverizai n focar (prin comprimare sau cu ajutorul unui agent de pulverizare), n scopul mririi suprafeelor de contact cu aerul. Astfel, diametrul picturilor variaz ntre 0,05 mm pn la 0,5 mm, iar calitatea procesului de pulverizare i a amestecului combustibil-aer de ardere au o influen covritoare asupra arderii.

Combustibilii gazoi ard n dou etape: aprinderea; arderea propriu-zis

Primul stadiu const n creterea temperaturii pn la temperatura de aprindere (cca 700C) urmat de accelerarea reaciei de oxidare i trecerea n ardere propriu-zis.

O proprietate caracteristic a combustibililor gazoi este viteza de propagare a flcrii, respectiv viteza de naintare a frontului de flacr n amestecul combustibil-aer. Aceast vitez depinde de compoziia amestecului de gaze, de forma focarului i tipul arztorului. n anumite proporii, amestecul gaz-aer devine exploziv.

S-a constatat c pentru fiecare tip de gaze combustibile viteza de propagare a flcrii atinge un maxim la o anumit compoziie a amestecului gaz-aer. La presiunea atmosferic, viteza de propagare a flcrii este proporional cu ptratul temperaturii absolute a amestecului combustibil-aer.

Tabel 2.5. Viteze maxime de propagare a flcrii la combustibilii gazoi

Tipul combustibilului Viteza maxim

de propagare a flcrii m/s

Hidrogen 2,67 Oxid de carbon 0,33 Metan 0,35 Acetilen 1,31 Propan 0,32

26

2.2.1. Arderea combustibililor solizi i lichizi

Tabel 2.6. Mase molare ale unor substane sau elemente implicate n ardere

Elementul sau compusul chimic

Simbolul chimic

Masa molar

Elementul sau compusul chimic

Simbolul chimic

Masa molar

Carbon C 12 Apa H2O 18 Hidrogen H2 2 Metan CH4 16 Sulf S2 32 Etilen C2H4 28 Oxigen O2 32 Etan C2H6 30 Azot N2 28 Propan C3H8 44 Oxid de carbon CO 28 Butan C4H10 58 Bioxid de carbon CO2 44 Acetilen C4H2 26 Bioxid de sulf SO2 64 Hidrogen sulfurat H2S 34

Se reamintete c 1 kmol dintr-o substan reprezint acea cantitate de

substan a crei mas exprimat n kilograme este egal cu masa molar a substanei respective. De asemenea, conform legii lui Avogadro 1 kmol de gaz perfect ocup, n condiii fizice normale (0C i 760 mmHg), acelai volum. Acest volum este de V=22,4 m3/kmol.

Pentru simplificarea calculelor se consider c vaporii de ap i celelalte gaze reale ocup n stare normal volumul de 22,4 m3N.

Ecuaiile de ardere pentru combustibilii solizi i lichizi care conin elementele combustibile C, S, H sunt urmtoarele:

2.2.1.1. Arderea perfect a carbonului

C + O2 = CO2 (2.4.) 1 kmol C + 1 kmol O2 = 1 kmol CO2 12 kg C + 32 kg O2 = 44 kg CO2 mprim cu 12 ntreaga relaie:

1kg C+1232 kgO 2 = kgCO 2

Dac lum n considerare volumul molar: 12 kg C + 22,4 m3N O2 = 22,4 m3N CO2 mprim relaia cu 12: 1 kg C + m3N O2 = m3N CO2 Ecuaia arderii se interpreteaz astfel: pentru ca 1 kg C s ard complet sunt

necesari 12

4,22 m3N O2 rezultnd 124,22 m3N CO2.

1244

124,22

124,22

27

2.2.1.2. Arderea imperfect a carbonului C +

21 O2 = CO

1 kmol C + kmol 21 O2 = 1 kmol CO

12 kg C + 21 32 kg O2 = 28 kg CO

mprim relaia cu 12: 1 kg C +

1221 32 kg O2 = 12

28 kg CO

Dac se ia n considerare volumul molar: 12 kg C +

21 22,4 m3N O2 = 22,4 m3N CO

mprim relaia cu 12: 1 kg C +

1221 22,4 m

3N O2 = 12

4,22 m3N CO

2.2.1.3. Arderea sulfului S + O2 = SO2 (2.6.) 1 kmol S + 1 kmol O2 = 1 kmol SO2 32 kg S + 32 kg O2 = 64 kg SO2 mprim relaia cu 32: 1 kg S + 1 kg O2 = 2 kg SO2 Prin considerarea volumului molar: 32 kg S + 22,4 m3N O2 = 22,4 m3N SO2 mprim relaia cu 32: 1 kg S +

324,22 m3N O2 = 32

4,22 m3N SO2

2.2.1.4. Arderea hidrogenului H2 + 2

1 O2 = H2O (2.7.)

1 kmol H2 + 21 kmol O2 = 1 kmol H2O

2 kg H2 + 21 32 kg O2 = 18 kg H2O

mprim cu 2: 1 kg H2 + 22

1 32 kg O2 = 9 kg H2O

Raportnd relaia la volumul molar: 2 kg H2 + 2

1 22,4 m3N O2 = 22,4 m3N H2O

28

mprim cu 2: 1 kg H2 + 22

1 22,4 m

3N O2 = 2

4,22 m3N H2O

2.2.1.5. Cantitatea teoretic de oxigen (O0) necesar arderii Din ecuaia de ardere perfect a carbonului rezult c pentru arderea a 1 kg

carbon sunt necesari 12

4,22 m3N de oxigen, iar la ardere imperfect 1224,22

m3

N oxigen.

n analiza elementar a combustibilului, cantitatea de carbon este dat n procente de greutate. Cu alte cuvinte, 100 kg crbune conin C kg de carbon sau altfel spus 1 kg de crbune conine

100C kg carbon.

Dup cum s-a artat la ardere perfect avem nevoie de 12

4,22 m3N O2 pentru

arderea fiecrui kilogram de carbon. Aadar, pentru a arde perfect 100C kg carbon sunt

necesari: [ ]23100124,22 OmC N (2.8.) iar la ardere imperfect: [ ]23100244,22 OmC N (2.9.)

Acelai raionament l aplicm i la arderea hidrogenului. Din ecuaia de ardere 1 kg H2 necesit 4

4,22 m3N O2 pentru ardere. Totalul de oxigen necesar pentru

arderea a 100H kg hidrogen este: [ ]23 ,10044,22 OmH N (2.10.)

Arderea sulfului necesit 23324,22 OmN pentru fiecare kilogram de sulf. Dar

crbunele conine 100

S kg sulf la fiecare kilogram de crbune.

Prin urmare, oxigenul total necesar pentru arderea cantitii totale de sulf este: [ ] )123100324,22 OmS N (2.11.)

n concluzie, oxigenul total necesar la arderea a 1 kg de crbune se obine nsumnd cantitile necesare pentru arderea (perfect sau imperfect) a carbonului, hidrogenului i sulfului. Nu trebuie uitat s se scad cantitatea de oxigen coninut chiar n kilogramul de crbune supus arderii.

++=carbunekg

OmOSHCO N 23

0 100324,22

100324,22

10044,22

100124,22

(2.12.) 1 1 ) Mai explicit: 22,4[

kmolm N3

]; 32[kmol

sulfkg.];

100S

[carbunekg

sulfkg.

.]

29

Pentru ardere imperfect:

++=carbunekg

OmOSHCO N 23

0 100324,22

100324,22

10044,22

100244,22' (2.13.)

2.2.1.6. Cantitatea teoretic de aer necesar arderii

Se cunoate compoziia aproximativ n procente de volum a aerului: 21% O21) i 79% N2

Rezult c pentru o ardere care necesit O0

kgmN

3

oxigen, cantitatea teoretic

de aer (V0) este:

Ardere perfect

=

combkgaermO

V N3

00 21,0

(2.14.)

Ardere imperfect

=

combkgaermO

V N3

00 21,0

'' (2.15.)

Aerul introdus n focar este presupus a fi uscat i fr impuriti.

2.2.1.7. Cantitatea teoretic de gaze rezultat din ardere

2.2.1.7.1. Ardere perfect Gazele rezultate din ardere sunt compuse din CO2, SO2, N2 i umiditatea din

combustibil. Aadar: OHNSOCOg VVVVV 22220 +++= (2.16.) Din ecuaiile de ardere rezult c din arderea unui kilogram de carbon rezult: 2312

4,22 COmN

sulf rezult: 23324,22 SOmN

hidrogen rezult: OHmN 2324,22

Cantitile totale de carbon, sulf i hidrogen raportate la kilogramul de combustibil sunt:

100C ,

100S ,

100H care produc volumele de gaze:

124,22

100C ,

324,22

100S ,

24,22

100H

Trebuie avut n vedere c gazele de ardere cuprind azotul din combustibil n cantitate de

100284,22 N i azotul din aerul teoretic de ardere 0100

79 V , precum i apa

coninut n combustibil )1

100184,22 W 1

1 respectiv 21 3Nm O2 la 100

3Nm aer [23,1% oxigen i 76,4% azot n procente de mas]

30

Prin urmare, cantitatea total teoretic de gaze rezultate prin arderea a cantitii de 1 kg de combustibil este:

+++++=lcombustibikg

mWNVHSCV Ng3

0 100184,22

100284,22

10079

24,22

100324,22

100124,22

1000(2.17.)

Unitile de msur sunt (exemplificare pentru carbon):

kmolcarbonkg

kmolm

lcombustibikgcarbonkgC

N

.12

4,22

..

1003

2.2.1.7.2. Ardere imperfect Raionamentul pentru determinarea volumului teoretic de gaze de ardere este

similar cu cel aplicat la arderea perfect. Deosebirea const n faptul c volumul de CO2 aprut la arderea perfect este

nlocuit cu un volum egal de CO (ceea ce nu influeneaz volumul total teoretic de gaze). Apare, de asemenea, n plus i diferena ntre cantitatea de oxigen introdus ( 0O ) i cea efectiv consumat la ardere imperfect (O0).

( )

++++++=

=++++=

..'

100184,22

100284,22

10079

24,22

100324,22

100124,22

100

'3

000

'002220

combkgmOOWNVHSC

VVVVVV

N

OOOHNSOCOg

(2.18.)

2.2.1.8. Cantitatea teoretic de gaze uscate Aceast cantitate rezult din volumul teoretic de gaze (la ardere perfect sau

imperfect) din care se scade cantitatea de vapori de ap coninut n combustibil (higroscopic) rezultat prin arderea hidrogenului.

Ardere perfect: OHgusc

g VVV 200 = (2.19.) 1

Ardere imperfect: OHguscg VVV 200 '' = (2.20.)

2.2.2. Arderea combustibililor gazoi Ecuaiile de ardere sunt similare cu cele prezentate pentru combustibilii solizi

i lichizi:

2221 COOCO =+ (2.21.)

2) Se neglijeaz umiditatea aerului atmosferic

31

23

233

23

233

22

14,222

4,221

4,222

4,224,22

1211

COmOmCOm

COmOmCOm

COkmolOkmolCOkmol

NNN

NNN

=+

=+

=+

OHOH 222 2

1 =+ (2.22.)

OHmOmHm

OHmOmHm

OHkmolOkmolHkmol

NNN

NNN

23

23

23

23

233

222

4,224,22

4,2224,221

4,222

4,224,22

1211

=+

=+

=+

OHCOOCH 2224 22 +=+ (2.23.)

OHmCOmOmCHm

OHmCOmOmCHm

OHkmolCOkmolOkmolCHkmol

NNNN

NNNN

23

23

23

43

23

23

23

43

2224

2121

4,2224,224,2224,22

2121

+=++=+

+=+

OHCOOHC 22242 223 +=+ (2.24.)

OHmCOmOmHCm

OHmCOmOmHCm

OHkmolCOkmolOkmolHCkmol

NNNN

NNNN

23

23

23

423

23

23

23

423

22242

2231

4,2224,2224,2234,22

2231

+=++=+

+=+

OHnmCOOnmHC nm 222 24

+=

++ (2.25.)

OHmnCOmmOmnmHCm

OHmnCOmmOmnmHCm

OHkmolnCOkmolmOkmolnmHCkmol

NNNnmN

NNNnmN

nm

23

23

233

23

23

233

222

241

4,222

4,224,224

4,22

241

+=

++

+=

++

+=

++

Gazele combustibile au o compoziie care cuprinde: oxid de carbon (CO%),

hidrogen (H2%), hidrocarburi (CmHn%), oxigen (O2%), bioxid de carbon (CO2%) i azot (N2%) toate cantitile exprimate n procente de volum.

32

2.2.2.1. Cantitatea teoretic de oxigen necesar arderii Aceast cantitate rezult prin nsumarea necesarului de oxigen pentru arderea

fiecrei componente combustibile din care se scade aportul de oxigen adus chiar de combustibil:

++++++=

gazoscombmoxigenmOnmHCHCCHHCOO

N

Nnm

.1004100....3

1002

10021

10021

100 33

242420 (2.26.)

2.2.2.2. Cantitatea teoretic de aer necesar arderii

=

lcombustibimaermOV

N

N3

30

0 21,0 (2.27.)

2.2.2.3. Cantitatea teoretic de gaze rezultate din ardere Se obine prin adunarea cantitilor de gaze rezultate din arderea fiecrei

componente combustibile: OHNCOg VVVV 2220 ++= .................................. (2.28.)

Bioxidul de carbon rezult din arderea CO, CH4, C2H4, CmHn. Aadar:

+++++= 33

2424

100100.....

1002

1001002 NNnm

CO mmCOHCmHCCHCOV (2.29.)

Azotul provine din aerul de ardere i din componena combustibilului:

+=.100

79,0 33

202 combm

mNVVN

NN (2.30.)

Apa din gazele de ardere provine din arderea hidrogenului i a CH4, C2H4,

CmHn (se neglijeaz umiditatea aerului atmosferic):

++++= 33

4242

1002.....

1002

1002

1002 NNnm

OH mmHCnHCCHHV (2.31.)

2.2.2.4. Cantitatea teoretic de gaze uscate rezultate din ardere

=+=

lcombustibimarderedegazemVVVVV

N

NOHgNCO

uscg 3

3

20220 (2.32.)

33

2.2.3. Coeficientul de exces de aer la arderea real n situaii de ardere real, cantitatea teoretic de aer calculat pentru arderea

unitii de combustibil nu este suficient. Pentru a se realiza o amestecare bun ntre combustibil i aerul de ardere n

vederea unei arderi ct mai complete, volumul de aer introdus n focar trebuie s fie mai mare dect cantitatea teoretic, aceast depire fiind cu att mai pronunat cu ct particula de combustibil este mai mare i avnd valorile cele mai mici pentru combustibilul gazos.

Coeficientul de exces de aer prin care se estimeaz surplusul de volum de aer introdus n focar se definete ca fiind raportul ntre volumul real de aer introdus n focar i volumul teoretic necesar:

0VV= (2.33.)

unde: V volumul real de aer introdus n focar; V0 volumul teoretic de aer necesar arderii. Din relaia de mai sus rezult cantitatea real de aer necesar pentru ardere:

V=V0 Aceasta nu trebuie s depeasc o anumit valoare, deoarece perturb arderea

prin preluarea inutil de cldur de la gazele de ardere dup care, neparticipnd la ardere se evacueaz la co. n acest fel, scade temperatura pe traseul gazelor de ardere, se supradimensioneaz ventilatoarele de aer i de gaze i tubulatura aferent.

Tabel 2.7. Valori uzuale pentru coeficientul de exces de aer

Tipul combustibilului i al focarului Coeficientul de exces de aer Huil n focare cu grtar fix 1,40 2,00 Huil n focare cu grtar rulant 1,35 1,60 Lignit n focare cu crbune pulverizat 1,30 1,50 Crbune pulverizat (mixte) 1,25 1,45 Pcur 1,05 1,25 Combustibili gazoi 1,05 1,20

Cantitatea de aer necesar pentru ardere se exprim uzual n

lcombustibikgaermN

3

pentru combustibil solid i lichid i

lcombustibimaerm

N

N3

3

pentru combustibilii gazoi.

Ca o consecin a introducerii de cantiti suplimentare de aer, volumul de azot din gazele de ardere va fi corespunztor mai mare:

[ ] 079,079,02 VVV N == (2.34.)

34

La fel, cantitatea de oxigen aprut n gazele de ardere este:

[ ] ( )

= 333

0 ;12N

NNO m

mkgmOV (2.35.)

Relaia de mai sus se mai poate scrie prin desfacerea parantezei:

[ ] 002 OOV O = n care primul termen arat cantitatea real de oxigen introdus (O0) iar al doilea, cantitatea de oxigen consumat pentru ardere (O0).

Dac se raporteaz la cantitatea de aer teoretic (V0):

[ ] ( )

= 333

0 ;121,02N

NNO m

mkgmVV

2.2.3.1. Volumul real de gaze rezultat din ardere pentru combustibilii solizi i

lichizi

Relaia care stabilete volumul real de gaze la ardere perfect este: (2.36.) ( )( ) ( )121,0179,021,021,079,079,0

21,079,021,079,01

000000

0000000

00

000

++=++==++=+=+=

VVVVVVVV

VVVVVVVVVVV

gg

gggg

n aceast relaie observm c la cantitatea teoretic de gaze (Vg0) stabilit pentru ardere perfect se adaug cantitatea de azot coninut de surplusul de aer introdus, precum i cantitatea de oxigen care nu particip la procesul de ardere. Relaia scris complet este:

( ) ( )

++

++++++=

lcombustibimarsegazemVV

WVNHSCV

N

N

g

3

3

00

0

121,0179,0

184,22

10010079

284,22

10024,22

100324,22

100124,22

100

(2.37.)

Dac arderea nu este perfect, n focar se introduce aceeai cantitate real de aer V=V0 ns se consum numai V0

( )

++

+++++=

combmmVVV

WNHSCV

N

N

g

3

3

000 '21,079,0

184,22

100284,22

10024,22

100324,22

100124,22

100'

(2.38.)

2.2.3.2. Volumul real de gaze rezultat din arderea combustibililor gazoi

Gazele de ardere produse n urma arderii combustibililor gazoi cuprind CO2, H2O, N2 i O2. Aadar:

+++= ..3

3

2222 combmmVVVVV

N

NONOHCOg (2.39.)

35

Dac se consider volumul de gaze uscate:

222 ONCOusc

g VVVV ++= (2.40.) CO2 rezult prin arderea CO i a hidrocarburilor CH4, C2H4, CmHn. H2O rezult din arderea H2 i a hidrocarburilor CH4, C2H4, CmHn1

N2 rezult din aerul total de ardere introdus n focar (0,79V0) i din combustibil :

1002

N

+=

combmmNVV

N

NN 3

32

0 10079,0

2 (2.41.)

O2 provine din excesul de aer introdus n focar:

( )

=

combm

mVVN

NO 3

3

0121,02 (2.42.)

2.2.3.3. Coninutul de CO2 din gazele de ardere uscate Gazele de ardere reprezint un amestec de componente care au rezultat prin

arderea fiecrui element din combustibil. Numim participaie raportul ntre volumul fiecrui component i volumul

total de gaz uscat [raportate ambele la kilogramul de combustibil]. 10022 = usc

g

COusc

VV

CO [%] (2.43.) Din ecuaiile de ardere rezult c la fiecare kilogram de combustibil ars se

produc 23124,22 COmN

uscgV reprezint volumul total de gaze uscate produs prin arderea unui kilogram de combustibil.

Participaia de CO2 artat mai sus pentru o ardere real se poate scrie:

( ) 1001 02 02 += VV

VCO usc

g

COusc

[%] (2.24.)

n cazul n care arderea se desfoar fr exces de aer (=1, respectiv V=V0) numitorul fraciei devine minim, iar valoarea acesteia indic valoarea maxim a participaiei de CO2 ( uscCO max2 ).

Aceast valoare uscCO max2 depinde exclusiv de compoziia combustibilului. Ea se gsete n tabele i reprezint o caracteristic proprie fiecrui combustibil. 1) Cantitile de OiHCO 22 rezult n funcie de ecuaiile de ardere ale combustibilului gazos.

36

Tabel 2.8. Valori aproximative pentru uscCO max2 ale unor sorturi de combustibil Tipul

combustibilului (CO2)usc

max [%]

Lignit 19,2 Huil 18,5 Pcur 16,0 Gaz natural 11,7 Gaz de furnal 24,0

2.2.3.4. Calculul coeficientului de exces de aer cu ajutorul compoziiei

gazelor de ardere

Cunoaterea coeficientului de exces de aer () este deosebit de important pentru funcionarea cazanelor.

ncepnd din focar, pe tot traseul gazelor de ardere pn la evacuarea acestora n atmosfer ptrund mici cantiti de aer prin neetaneiti (reamintim c arderea se desfoar n condiii de uoar depresiune). Aceste mici volume de aer constituie aerul fals () care face ca la evacuare coeficientul ev s fie mai mare dect cel din focar.

ev=F+ (2.45.) Valorile medii pentru ptrunderile n diferite zone ale cazanului se gsesc

n tabele. Procesul de ardere este mult influenat de coeficientul de exces de aer, respectiv: trecerea unei pri din SO2 n SO3 conduce n final prin reacie cu apa din

gazele de ardere la formarea de acid sulfuric (H2SO4) cu efect puternic coroziv asupra suprafeelor finale de schimb de cldur;

procentul de flux termic ce se pierde odat cu gazele de ardere la co este direct proporional cu ev.

Determinarea debitului real de aer de ardere se poate face cu dificulti cnd este vorba de cantiti foarte mari n unitatea de timp. Din aceast cauz, coeficientul de exces de aer se poate afla n mod indirect folosindu-se compoziia gazelor de ardere indicat de analizoare.

Analizoarele utilizate pot fi cu funcionalitate discontinu (la care probele se recolteaz periodic) sau continu prin aparate de panou, care indic n fiecare moment valoarea procentual a componentei considerate n locul de prelevare (fix) al gazelor pe traseul acestora prin cazan.

Deoarece vaporii de ap din gaze condenseaz ntre punctul de prelevare i aparatul analizor, aceste aparate indic compoziia gazelor de ardere uscate.

2.2.3.4.1. Calculul coeficientului prin coninutul de CO2 din gaze Participaia de CO2 n cazul arderii reale (>1) este:

( ) 1001 02 02 += VV

VCO usc

g

COusc

37

Dac arderea este perfect (=1) atunci n relaia anterioar al doilea termen al numitorului se anuleaz, iar fracia va exprima valoarea maxim a participaiei de CO2 ( )uscusc COCO 2max2 > .

1000

2max2 = usc

g

COusc

VV

CO

Dac se face raportul celor dou participaii:

( ) ( ) uscg

uscg

uscg

usc

usc

VV

VVV

COCO

00

0 00

2

max2 111 +=+=

Pentru un combustibil folosit curent, valorile uscuscg COVV max20 ,, 0 se pot calcula fr probleme, iar dac n acelai timp un analizor ne indic uscCO2 este posibil calcularea valorii lui din relaia anterioar.

Deoarece pentru majoritatea combustibililor 00 VVusc

g putem scrie:

usc

usc

COCO

2

max2= (2.46.) uscCO max2 intervine ca o constant (tabelat) pentru un anumit combustibil, iar uscCO2 este valoarea indicat de aparatul analizor.

Practic aparatul analizor, dei msoar participaia de uscCO2 din gazele de ardere, este gradat direct n valori ale coeficientului de exces de aer().

Relaia indic o valoare puin mai mare pentru deoarece am introdus aproximaia 00 VV

uscg . Abaterea este n plus cu 1% 1,8% pentru combustibilii solizi,

lichizi i gazul natural. Erorile sunt mai mari pentru gazul de furnal care conine mult azot.

2.2.3.4.2. Calculul coeficientului prin coninutul de O2 din gaze Participaia de oxigen din gazele de ardere:

( )( ) 1001

121,0100

0

02

0

2 +==

VVV

VV

O uscg

uscg

Ousc

(2.47.)

Volumul de oxigen de la numrtorul fraciei provine din excesul de aer care nu particip la ardere. Numitorul este constituit din volumul teoretic de gaze uscate rezultate prin arderea componentelor combustibile la care se adaug excesul de aer (-1)V0.

Similar cu calcularea lui n funcie de participaia de CO2 i n cazul oxigenului valoarea lui rezult din relaia anterioar dup ce n prealabil s-a calculat V0, uscgV 0 , iar un analizor ne indic participaia momentan de O2 din gaze.

Dac se procedeaz la considerarea aceleiai aproximaii adic 00 VVusc

g rezult din relaia precedent:

uscO22121= (2.48.)

38

2.2.4. Triunghiul arderii (Triunghiul lui Ostwald)

n instalaiile de ardere este necesar un control al procesului de combustie. Acest lucru se poate realiza folosindu-se o diagram de form triunghiular numit triunghiul arderii (Triunghiul lui Ostwald) (Fig. 2.2.).

n acest fel se poate stabili n ce msur arderea este complet, precum i coeficientul de exces de aer n locul de prelevare.

Din relaiile care stabilesc valorile coeficientului de exces de aer n funcie de coninutul de CO2 i O2 din gazele de ardere (prezentate anterior), gsim:

1

max2

2 =uscusc

COCO

i 11

212 =uscO

[provenit din: uscO22121= ]

Adunm membru cu membru:

111121

2

max2

2 =+=+ usc

usc

usc OCOCO

121

2

max2

2 =+usc

usc

usc OCOCO (2.49.)

Ecuaia gsit este condiia arderii perfecte i reprezint ecuaia unei drepte prin tieturi ntr-un sistem de axe avnd n abscis procentul de oxigen n gaze, iar n ordonat procentul de CO2 din gaze [dreapta CB].

Caracteristicile punctelor de intersecie cu axele dreptei CB, respectiv coordonatele punctelor C i B din diagram sunt urmtoarele: ( )

( )

=

gazen CO avemnu deci perfecta este Arderea :ticicaracteris altelului.combustibi compozitiapentru ticacaracteris valoarea CO :ordonata

1 perfecta arderea la gazedin oxigen de continutul reprezinta 0 :abscisausc2max

C

( )( )

=

gazein CO decontinut avemNu :ticicaracteris altegazedin CO de procentul reprezint 0 :ordonata

21%aer din oxigen de procentulcu coincideoxigen decontinut Acest .aer de exces deinfinit coeficient

uncu ipotetica ardere o la gazedin oxigen de continutul reprezinta :abscisa

2

2

B

Dac prin arderea carbonului se obine n totalitate numai CO, arderea este total

imperfect, iar coninutul de CO2 va fi nul. Participaiile de CO2 i O2 din gaze vor fi:

[ ]%'

124,22

100'

100124,22

100'

uscuscusc ggg

COusc V

C

V

C

VV

CO ===

[ ]%100'

'100

'00

22 ==

uscusc gg

Ousc V

OOVV

O

n relaia ( ) uscgguscgg VVVVV uscusc 00 '' rezult i 1 facem 1'' 0 ==+=

39

CO=ct =ct

Rezult:

[ ][ ] [ ]

===

=

0CO :ordonata

1 deoarece %100'

'O :abscisa

%'

124,22

CO

D

2

002usc

maxusc

0

0

uscg

uscg

VOO

V

C

Aadar, punctul D aflat pe abscis indic o ardere fr exces de aer (=1) n

care carbonul trece n totalitate n CO. Dreapta CD caracterizeaz domeniul n care arderea este stoechiometric

(=1) i mparte triunghiul ABC n dou domenii: triunghiul CDB n care arderea se face cu exces de aer (>1) i triunghiul ACD n care arderea se desfoar cu subexces de aer (

40

2.2.5. Entalpia gazelor de ardere Diagrama I g -t Coninutul de cldur al gazelor de ardere ntr-un punct pe traseul de

evacuare al acestora din cazan este dependent de compoziia chimic a combustibilului folosit, de temperatura gazelor i de excesul de aer n punctul considerat ().

n principiu, entalpia gazelor rezultate prin arderea unitii de combustibil n focar este rezultatul nsumrii produselor ntre volumul componentului i entalpia sa. Astfel, dac se consider gazele de ardere ca fiind alctuite din CO2, SO2, N2, H2O i excedent de aer, relaia care d entalpia gazelor este:

( )

++++=

combmJ

kgJViViViViViI

N

OHOHNNSOSOCOCOg 300;

comb 1

22222222 (2.50.)

Unde:

3

N22220 m

Jaer ,,,,CO ale entalpii - ,,,,2222

OHNSOiiiii OHNSOCO

combmm

kg

OHNSOVVVV

N

NN

OHNSO

3

33

22220CO

;comb

m lcombustibi de unitatii

ardereaprin rezult careaer i ,,,CO de volumele- ,,,,V2222

coeficient de exces de aer Diagrama este specific fiecrui tip de combustibil i are alura de mai jos:

Fig. 2.3. Diagrama I g t a gazelor de ardere

Diagrama Ig-t este util pentru stabilirea temperaturii gazelor de ardere n diferite puncte ale drumului de gaze n vederea dimensionrii schimbtoarelor de cldur ale cazanului i pentru determinarea temperaturii de ardere.

41

CAPITOLUL 3

BILANUL INSTALAIEI DE CAZAN

Bilanul energetic al cazanului const n evidenierea fluxurilor termice introduse n agregat (prin arderea combustibilului), a fluxurilor de cldur utile i a cantitilor de cldur pierdute n unitatea de timp, proprii fiecrei zone a instalaiei. Bilanul termic ofer posibilitatea de a se calcula randamentul cazanului i consumul de combustibil.

Pierderile de cldur se pot exprima fie n fluxuri termice (Q) raportate la totalul debitului de cldur produs n focar, fie n fluxuri termice (Q) raportate la unitatea de cantitate de combustibil:

[ ]%100100 "' ==

ii QQ

BQQq (3.1.)

unde: " ,' QQ fluxuri termice de pierderi

sJ ;

B consum de combustibil ;3

s

ms

Kg N

Q i putere caloric inferioar a combustibilului

3;Nm

JKgJ

Interpretarea acestor relaii se realizeaz foarte uor: q reprezint cota parte din totalul cldurii produse n unitatea de timp, n

focar

=

SJ

KgJ

SKg , care se pierde ntr-o anumit zon a cazanului (Q) sau

reprezint cota parte din cldura produs de unitatea de combustibil ars ( )kgmN ,3 , care se pierde ntr-o anumit zon a cazanului.

Principalele surse de pierderi de cldur ale cazanului sunt urmtoarele: prin gazele evacuate la co (q2); prin ardere incomplet chimic (q3); prin ardere incomplet mecanic (q4); prin cldur pierdut prin suprafeele exterioare ale cazanului ctre mediul

ambiant (q5); prin evacuarea zgurii sau cenuii la temperatur nalt (q6).

42

3.1. Pierderi de cldur prin gazele evacuate la co (q2)

Se datoreaz temperaturii destul de ridicate a gazelor de ardere care se evacueaz n atmosfer (cca 150290C), coninutul de cldur al acestora pierzndu-se pentru instalaie.

Scderea temperaturii gazelor n vederea reducerii acestei pierderi sub valoarea punctului de rou pentru vaporii de ap conduce la formarea acidului sulfuric care corodeaz suprafeele finale ale cazanului.

[ ] [ ]%100)(),(1 02 = tItIQq acccgi (3.2.) ),( ccg tI entalpia gazelor de ardere la temperatura i coeficientul de exces

de aer la co

bilkgcombusti

J ;

t0 temperatura ambiant;

Ia(t0) entalpia aerului la temperatura ambiant t0

bilkgcombusti

J .

Termenul cIa(t0) reprezint entalpia aerului ambiant. Se poate nlocui n calcule, fr a constitui o abatere important, cu Ig(t0,c), reprezentnd entalpia gazelor de ardere la temperatura ambiant (t0) i coeficientul de exces de aer de la co (c).

3.2. Pierderi de cldur prin ardere incomplet din punct de vedere

chimic (q3) Arderea incomplet conduce la apariia n gazele de ardere a unor

componente combustibile care ar fi putut s cedeze cldura n cazan i care pot fi decelate cu ajutorul analizoarelor de gaze.

Aceste componente ar putea fi: oxidul de carbon (CO), hidrogenul (H2), metanul (CH4) sau alte hidrocarburi saturate (notate generic cu CmHn).

( ) [ ]%100144223

+++= guscHCHCCHCHHHCOCOi

VQVQVQVQVQ

qnmnm

(3.3.)

unde: Q i putere caloric inferioar a combustibilului

3;Nm

JkgJ

nmHCCHHCOVVVV ,,,

42 volume de CO, H2, CH4, CmHn n gazele de ardere

lcombustibikg

componentmgazoscombm

componentm NN

N

;

.

3

3

3

nmHCCHHCOQQQQ ,,,

42 puterile calorice inferioare ale fiecrui component

din gazele de ardere

componentm

J

N3

43

Vg usc volumul de gaze uscate rezultat prin arderea unitii de combustibil

combmm

combkgm

N

NN3

33

;.

Pierderea de cldur q3 se mai poate exprima i n funcie de participaiile procentuale ale componentelor gazoase combustibile n gazele de ardere.

Se reamintete relaia de definiie a participaiei procentuale:

usc usc 100

100 gCOg

CO VCOVVVCO ==

Expresiile volumelor rezultate din relaia de definiie a participaiei se introduc n q3:

[ ]%100100100100100

14

4

2

23

+++= guscHCHCCHCHHco

i

VQV

QV

QHQCOQ

qnm

nm (3.4.)

3.3. Pierderi de cldur prin ardere incomplet mecanic (q4)

Acest tip de pierdere de cldur este proprie combustibililor solizi i se datoreaz sustragerii de la ardere a unor cantiti de combustibil care:

cad printre barele grtarului (la arderea pe grtar); sunt nglobate n zgur i cenu fiind evacuate odat cu aceste

produse; sunt antrenate de gazele de ardere i se evacueaz pe co.

Pentru determinarea pierderilor de cldur prin ardere incomplet mecanic este necesar stabilirea urmtoarelor notaii:

Q 4 cantitatea de cldur ce se pierde prin ardere incomplet mecanic la

fiecare kilogram de crbune introdus n cazan

combkgJ

.

czQ4 cantitatea de cldur ce se pierde prin nearderea combustibilului czut

printre barele grtarului i a celui nglobat n zgur i cenu

combkgJ

.

antQ4 cantitatea de cldur ce se pierde prin nearderea combustibilului

antrenat de ctre gazele de ardere

combkgJ

.

Mcz, Mant debite de substan czut i respectiv antrenat de gaze

s

kg

Ccz, Cant procente de carbon din substana czut, respectiv antrenat [%] Acz, Aant procente de cenu din substana czut, respectiv antrenat [%] acz, aant fracie de cenu czut i respectiv antrenat de gaze [acz + aant = 1]

Qc putere caloric a carbonului

kgJ

44

Pierderea procentual este:

[ ]antczantcz

ant

i

cz

i

QQQ

qqQQ

QQQq

444

44444

4

:deoarece

100100

100100

+=+=+==

(3.5.)

Cldura pierdut prin cderea unor mici cantiti din combustibil se poate scrie:

cczczcz Q

BMCQ = 1

1004

combkgJ

Cantitatea de carbon din substana czut n

unitatea de timp

s

carbon kg

Cantitatea de carbon czut la fiecare kg de crbune introdus

comb kg

carbon kg

Pierderea de cldur cauzat de nearderea unei pri din combustibilul czut n plnia focarului la fiecare

kilogram de combustibil introdus

comb kgJ

Cantitile de cenu czute n unitatea de timp pot fi exprimate n dou

moduri:

czcz

cz MABAa =100100

cantitatea de cenu czut cantitatea de cenu din totalul cenuii rezultate czut n unitatea de timp

. .

.combkg

cazutacenusakg

s

cazutacenusakg

cantitatea de cenu

czut n unitatea de timp

scazutacenusakg

Din ultimele dou relaii eliminm fracia B

M cz , rezult cz

czcczcz

AAaQCQ =

1004

dar: czcz CA = 100

45

ccz

czcz

cz QAC

CaQ = 1001004

Similar se arat c: cant

antant

ant QAC

CaQ = 1001004 Rezult:

[ ]% 10010010010010044

+==

i

ant

antant

cz

czczc

i QC

CaC

CaQA

QQq (3.6.)

Pierderea de cldur prin ardere incomplet mecanic se situeaz de obicei

ntre 24%. Din cauza determinrii anevoioase se utilizeaz valori din literatura de specialitate determinate pe baz de calcule i experimentri practice. Astfel, valorile pentru azg i aant n diferite situaii, sunt:

Tabelul 3.1.

Tip de ardere zga anta ardere n suspensie cu evacuarea zgurii n stare solid

0,1 0,9

ardere n suspensie cu evacuarea zgurii n stare lichid

0,7 0,3

ardere pe grtar 0,9 0,1

3.4. Pierderi de cldur prin pereii cazanului ctre mediul ambiant (q5) Suprafeele exterioare ale cazanului sunt mai calde dect nivelul termic al

mediului ambiant. Din aceast cauz apare o cedare de cldur prin convecie i prin radiaie care se consider ca o pierdere de energie pentru instalaie. Determinarea exact a acestei pierderi este extrem de complicat i, ca urmare, ea se stabilete pe baza unor valori stabilite experimental.

Pierderea procentual de cldur prin perei ctre exterior este n funcie de debitul cazanului; la creterea debitului, valoarea lui q5 scade.

[ ]%10015 = jjj

i

tKFBQ

q (3.7.)

Fj suprafee ale cazanului n contact cu aerul exterior [m2];

Kj coeficieni de transfer termic global afereni fiecrei suprafee

Km

W2 ;

tj diferena ntre temperatura fiecrei suprafee i temperatura ambiant [C];

46

B consum de combustibil

s

kg ;

Q i putere caloric inferioar a combustibilului

kgJ .

3.5. Pierderi de cldur prin evacuarea zgurii i cenuii din focar (q6) Este o pierdere specific utilizrii combustibililor solizi. Se impune la

calcularea randamentului, n special la arderea cu evacuare lichid a cenuii i la arderea n strat pe grtar a crbunilor care au coninut ridicat de mas mineral.

[ ]%100100

16 = zgzgcz

i

tcAaQ

q (3.8.)

Mas de cenu czut raportat la 1 kg combustibil

ac fracie de cenu care cade n plnia focarului

produsa cenusa kgcazuta cenusa kg

czg cldura specific a zgurii

Kkg

J

tzg temperatura de evacuare a zgurii [C] N.B.

100A reprezint cantitatea de cenu rezultat prin arderea unui

kilogram de crbune

comb. kg

cenusa kg

Temperatura de ardere a zgurii n stare solid este de circa 870 K, iar pentru starea lichid temperatura trebuie s depeasc cu 100C nivelul de topire al cenuii.

3.6. Bilanul analitic al cazanului Bilanul analitic al cazanului const n egalarea debitului util de cldur cu

cel introdus din care se scad pierderile.

Fig. 3.1. Variaia temperaturii i a entalpiei gazelor de ardere n cazan

47

Notaiile sunt urmtoarele:

Dab debit de abur supranclzit la utilizator

s

kg ;

Dsi debit de abur saturat pentru servicii interne

s

kg ;

Dp debit de ap la purje

s

kg ;

i entalpia aburului saturat

kgJ ;

i entalpia aburului n stare de saturaie pentru purje

kgJ ;

iab entalpia aburului supranclzit la utilizator

kgJ ;

ial, iec entalpia apei de alimentare la intrarea i respectiv ieirea din

economizor

kgJ ;

1

I 0 entalpia teoretic a gazelor de ardere n focar )1

N

3mJ;

comb kgJ ;

If entalpia gazelor de ardere la finele focarului

N

3mJ;

comb kgJ ;

Isf entalpia gazelor de ardere dup sistemul fierbtor convectiv

N

3mJ;

comb kgJ

Isi entalpia gazelor de ardere dup supranclzitor

N

3mJ;

comb kgJ ;

Iec entalpia gazelor de ardere dup economizor

N

3mJ;

comb kgJ ;

Ipa entalpia gazelor de ardere dup prenclzitorul de aer

N

3mJ;

comb kgJ ;

tf, tsf, tsi, tec, tpa temperaturile gazelor de ardere la finele focarului, dup sistemul fierbtor convectiv, dup supranclzitor, dup economizor, dup prenclzitorul de aer [C];

f, sf, si, ec, pa coeficienii de exces de aer n punctele indicate n schem. 1 cantitatea de cldur coninut ntr-un volum de gaze rezultat prin arderea a 1 m3N de combustibil gazos sau 1 kg combustibil lichid sau solid.

48

[ ][ ]

[ ][ ]Waer de toruluipreincalziaferent cflux termi -

W uluieconomizoraferent cflux termi -

W zitoruluisupraincalaferent cflux termi -

Wfocar in produsradiant cflux termi -

pa

ec

si

sfr

Q

Q